2月18日,美國火星探測車“毅力號” (Perseverance)登陸火星,這是迄今為止送到另外一個星球著陸的最大、最先進的探測器。而負責駕駛和操控這台“全球第一”的火星車的是一個華人,他就是美國航空航天署(National Aeronautics and Space Administration)噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)機器人介面和視覺化小組主管嚴正博士。

 

嚴正博士致力於應用機器人登陸火星的研究和開發,以專業的知識及技術,不論在太空機器人的設計、開發和操作方面,均有許多傑出的表現。他成功領導開發了Robot Sequencing and Visualization Program (RSVP),用以控制和操作火星探測漫遊者和著陸器(Mars rovers and landers)。

他還擔任了2004年勇氣號和機遇號(Spirits and Opportunity Rovers),與2012年好奇號(Curiosity,與2012年好奇號(Curiosity Rover)的“漫遊者”駕駛角色,近二十年來對對火星地質歷史的科學發現做出了巨大貢獻。今年他再次負責起美國航太總署NASA的火星調查車“毅力號”的操作工作,尋找火星上生命的證據。

 

成長經歷

嚴正令人仰慕的全球頂尖科學家身份的背後卻有著外人所不知的坎坷成長歷程。他1960年出生在臺灣,五歲時,空軍軍官的父親因意外身亡,留下母親一人,由於無力扶養三位年幼的小孩,於是將他送到了華興育幼院。

華興育幼院位於陽明山,是由蔣介石夫人宋美齡所設立,初衷是為了照顧三軍遺孤及大陳島撤退來台的孤兒。在早前其他媒體的採訪中,嚴正三舅盧成杜說:“當時大家生活都很困苦,嚴正母親最後無路可走,只好攔下蔣夫人車子,請求育幼院幫忙照顧三位幼兒。” 

但命運並沒有停止對這個家庭的殘酷,嚴正的母親在他九歲那年,也因悲傷過度而辭世,嚴正和兄妹成為了華興育幼院裡的孤兒。

但貧困及失去雙親的打擊,並沒有打倒嚴正,反而培養了他堅強和獨立的性格。

在華興育幼院裡,當時收留的遺孤很多,每位老師至少要照顧四、五十位小朋友,常常忙不過來,而華興中學還特別收容了金龍少兒棒球隊的小球員,有時候發生矛盾就只能自己解決。“那時嚴正又瘦又小,但很有主見,常常因看不慣同學被棒球隊員欺負就挺身而出,自己卻被打得鼻青臉腫。”嚴正的國中同學、現為蘭陽仁愛醫院精神科主任醫師劉光中回憶道。

因為華興高中在升大學方面,與外面名校相比缺少競爭力,嚴正靠著自己的努力與毅力,考進了建國中學。從來沒補過習的他,靠著自己的聰穎與努力,最後成功考上了台灣國立清華大學,1983年獲得數學學士學位,后1985年赴美留學。

到美國上大學也讓嚴正真正的開始思考自己的人生規劃,原本主修數學的他在第一天上課時面對臺上教代數的老教授,發出了“要每天與脫離現實的數學理論為伍嗎”的疑問。最後,他決定改念應用數學與機械。這一關鍵轉折,奠定了嚴正日後走向設計、操控火星探測車之路。

1992年嚴正獲得美國愛荷華大學應用數學博士學位和機械工程碩士學位。畢業後,他學以致用,進入在明尼蘇達大學的陸軍高性能計算中心(Army High Performance Computing Center )工作。1997年,嚴正得知NASA正在進行一個小型“火星探路者”Pathfinder)計畫,這大大激勵他的挑戰之心,心想自己所設計的汽車模擬程式,若能應用到火星上,將是多麼有意義的事!

一心一意想著如何參與火星計畫的嚴正,不到半年就美夢成真。在一次羅馬的會議上,嚴正巧遇NASA噴射推進實驗室的負責人,他正苦惱著要找尋能夠負責操控火星車程式設計的科學家,而嚴正就是他要找的人。他們一拍即合,嚴正就這樣在1998年加入美國航空航天署(National Aeronautics and Space Administration),進入加州的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory),也就是大家熟悉的NASA JPL服務至今。

嚴正博士致力於應用機器人登陸火星的研究和開發,以專業的知識及技術,不論在太空機器人的設計、開發和操作方面,均有許多傑出的表現。他成功領導開發了Robot Sequencing and Visualization Program (RSVP),用以控制和操作火星探測漫遊者和著陸器(Mars rovers and landers)。

他還擔任了2004年勇氣號和機遇號,與2012年好奇號(Curiosity Rover)的“漫遊者”駕駛角色,近二十年來對對火星地質歷史的科學發現做出了巨大貢獻。

關於毅力號

毅力號建造耗時10年,總投資超過24億美元

 

“毅力號”配備的儀器可以直接探測現在和古老生命跡象的儀器,移動工作站將用一種鑽頭採集的岩石和土壤標本,并將他們裝進小管子封存起來,等待下一艘飛船來將這些標本接回地球,這將有助於科學家在地球的實驗室裡用特殊的設備研究樣本,這些設備太大而無法帶到火星。

 

“毅力號”上還有一架1.8公斤重的無人駕駛飛機,名叫“機靈號” (Ingenuity),將測試在火星稀薄的大氣中無人機飛行的情況。為什麼要驗證無人機在火星上飛行呢?這是因為用無人機可以到達火星車無法前往的地方,探測更多的地方,也是為未來的火星探測或者是載人登陸做準備。但火星大氣層密度只有地球的1%,要飛起來還要控制方向很難。操控這個無人機的也是嚴正,目前已經完成了6次飛行任務。這是無人機在另一個星球環境下首次飛行,也開啟了火星上的航空元年。

這次任務還提供了積累火星知識和展示應對未來人類火星探險挑戰技術的機會,包括測試火星大氣中產生氧氣的方法 、確定其他資源(如地下水) 、對火星著陸技術進行改進、以及如何描述天氣、灰塵和其他潛在環境條件,這些環境可能影響未來在火星上生活和工作的宇航員 。

 

“毅力號”從承擔的任務之重,操作之複雜遠勝於前幾次火星探測,面對壓力,作為“老司機”的嚴正表示,很早以前駕駛精神號和機遇號時,自己把指令發給火星車后晚上常會惡夢驚醒,夢中是不知為何把車搞壞了。但現在,火星對於他已經不再陌生, 嚴正表示,火星探測最有趣的是遇到挑戰並克服它。

 

他在早前接受《今周刊》采訪時還舉例說曾經不小心將第三代火星車“機遇號”開進一座沙丘裡,他女兒還笑他“開車技術比她差”。起初駕駛團隊試著讓機會號以加、減速或左右移動的方式脫離沙丘,沒想到愈動就陷愈深,當時地面人員相當緊張,因為若輪胎卡得愈進去,最後會難以脫困,火星探險任務將宣告失敗。機會號整整卡住了四十天,嚴正團隊終於想到一個方法,就是“怎麼進就怎麼出”,因而度過難關!

 

在嚴正的帶領下,火星車在這個紅色星球上的行駛變得越來越順利,技術變得越來越成熟,為人類的空間探索做出了一次又一次的貢獻。

 

探索火星

火星是太陽系中與地球環境最為相似的行星,瞭解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值,也對人類拓展生存空間具有重要意義。但探訪這顆紅色的星球並不容易。

 

首先,地球與火星各自以不同的速度和距離繞太陽公轉,兩個星球之間的距離在不斷改變。地球和火星最遠距離大約4億公里,最近的距離是5600萬公里,只有在最近的時候才適合飛火星,時間短消耗也少。但這個最佳時間每隔26個月,也就是不到兩年半,才會出現一次。

 

2021年正是這樣一個火星年,機不可失。因此即使因爲新冠病毒造成的疫情大流行,也沒能阻止這些航太人的腳步。

 

但發射順利是第一步,探測器成功抵達目標後還要挑戰更棘手的第二道難關:如何著陸。

 

穿越大氣層著陸的過程只有7分鐘左右,也被稱為“恐怖7分鐘”。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態、角度都需要精准的控制。而這“恐怖7分鐘”結束後,真正的任務才開始,由嚴正所參與的團隊將負責遠端駕駛,探測火星的生命跡象。

 

據嚴正介紹,NASA“毅力號”的著陸點在火星赤道附近直徑45公里的耶羅澤隕石坑(Jezero crater)。毅力號主要探查的地點是像一個河流注入的三角洲地區,這裡似乎有沖積平原式的沉積土壤,如果真的有微生物的話那這裡會比較多。

 

但由於火星和地球之間的距離,電訊延時達到最長15分鐘,若想像遙控無人汽車那樣駕駛火星車是不可能的,因為當駕駛意識到出狀況時,消息一來一回已是約半小時後了。這成了第三個挑戰。

 

因此在火星日的晚上嚴正和同事就程式設計和演練,排好指令發給毅力號後,火星日的白天才能睡覺。而一個火星日相當於地球上的24小時零40分鐘,因此嚴正每天的作息都需調整40分鐘。

 

2021年5月15日,火星上的“毅力號”還迎來了一個新朋友,來自中國的“祝融號”探測車,中國成為繼美國後第二個成功將巡視器著陸在火星表面的國家。

 

嚴正介紹,因為還沒有太多資料,僅降落方式來看,兩國還是有所不同。中國採用的是傳統的反推火箭減速方式,美國的火星車則由火箭發動機驅動的“天空起重機”通過纜繩降落到火星表面,這種方式可以為火星車提供最大程度的保護,而且也是技術難度最高的一種方式。不過相信未來中美兩國肯定將在火星上有更多的合作,各國都應該共同為人類探索宇宙做出貢獻。

 

建議和寄語

 

工作之餘,嚴正博士還積極參與社區服務。他是聖馬利諾高中機器人俱樂部的導師和創始人,每年帶領Titanium Robotics Team 參加FIRST機器人大賽。嚴正博士並在2006年到2013年間擔任聖馬利諾聯合學區教育委員,致力於改善K-12教育和回饋社區。

 

對於想進入NASA从事科研工作的華人青年們,嚴正也給出了建議,他強調一定首先要瞭解NASA是做什麼的,並不僅僅是像人們想像的那樣,就是航空航天,具體來説包括了空間科學,比如太陽系探索、火星探索、月球探索、宇宙結構和環境,地球學研究比如地球系統學、地球學的應用,以及生物物理研究等等,每項研究都需要大量的專業人才,你要根據這些研究找到自己的興趣所在。其次就是華人們一定要努力將自己鍛造成某一領域的頂尖人才,只有自己足夠優秀,才能吸引到別人的注意。

 

“梅花香自苦寒來”,作為一個困境中長大的孩子,嚴正也正是憑藉著毅力突破了重重屏障,成為人類最頂尖的探索中的一員,正如他所說:“想投入航天科技的年輕人,要和毅力號一樣不怕困難、不怕失敗”。

 

让為“華人之光”的嚴正博士驕傲,也期待著他駕駛著“毅力號”給世界帶來更多的發現!

 

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