姚蕊：守护中国天眼的瞳孔 与大国重器一同成长

　　新浪财经讯  主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第42期演讲于2021年4月17日在北京东方梅地亚M剧场举行。来自国家天文台青年研究员 FAST运行和发展中心机械组组长 姚蕊女士出席并以《守护中国天眼的瞳孔，与大国重器一同成长》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　这是被誉为“中国天眼”的500米口径，球面射电望远镜FAST。

　　它是在1994年的时候，由中国天文学家南仁东先生提出，历时22年，在2016年的9月25日正式落成使用。这个望远镜是由中国科学院国家天文台主导建设，具有我国自主的知识产权。在2020年的1月11日，我们通过了国家验收，开启了我们第一个观测季。迄今为止，我们已经发现了新脉冲星300余颗，还有快速射电暴等一系列的成果。在2021年的3月31日0点，我们开始向全世界的科学家正式开放了。

　　其实FAST现在受到很多关注，除了它巨大的外表以外，还有它非常灵敏的内涵，它是世界上灵敏度最高的望远镜，灵敏度代表什么？当灵敏度越高的时候，同一时间能接收到的天体信号会越强，就可以探索更多的未知。这是我国建设的射电望远镜第一次站在世界的制高点上，而且在未来的10~20年，它的灵敏度仍然是国际的领先水平。

　　如果说现在把FAST比喻为“天眼”，那么其中在中间的这一个只有13米，但是重30吨的，装有接收机并且要把它精确定位的东西，就被大家比喻成“瞳孔”，我就是FAST“瞳孔”守护人，我叫姚蕊。

　　我是在FAST建设期间的时候就担任馈源舱的负责人，现在的是FAST运行和发展中心，机械组的组长，继续负责机械设备的维护和升级的工作。而我参与它的研究和工作已经将近16年，有人说我参与了16年的大科学项目，我非常幸运，而且他们说：你真是值了。我觉得“值了”这两个字是我参与了16年工作最简短，但是却最有力的总结。

　　也有人问我，你怎么能够参加这样子一个项目？我觉得这里面有我的机缘巧合，还有我的人生选择。

　　首先说说我的机缘巧合，我是2005年的时候进入清华大学读研究生，我所在的研究室主要是做应用科学，研究方向是并联机器人，是干什么用的？就是去做一些国内需要的像航空航天、水利等等，需要高精尖的一些先进制造装备。这对我来讲是很理想的方向，因为我是生长在一个工科背景的家庭，从小在制图版上长大的，我报大学志愿的时候，第一志愿就是机械工程，最后我也如愿以偿了。所以对我来讲，能把个人的爱好和国家的需求结合在一起，就是一个非常理想的方向。

　　因为考虑到我是女生，我们实验室的老师会特别照顾我一下，他们说经常去工厂出差不太方便，所以就让我跟着我们实验室的唐小强老师进入一个课题，这个课题就是FAST馈源支撑系统的研究。

　　和大家现在看到的FAST不一样，我最初看到的FAST就是像左上面这张图一样，FAST那时候有很多不一样的方案，馈源支撑系统不是像现在看到6根绳索牵引的，有4根、8根、12根等等不同的方案。我一开始介入的时候是这样的一个4索模型，我要进行整个索并联机器人的相关研究，进行它的运动学，静力学，刚度优化设计等等。在这个过程中我积累了很多的这种理论的知识，也做了一些研究。后来在唐老师的支持下完成了两米的刚度模型，这样的我就开始有了理论和工程小实际的一种感觉。

　　到了2009年的时候，唐老师当时是作为FAST馈源支撑系统的联合总工，他和国家天文台一起策划，在密云建立了一个40米的馈源支撑系统模型，这是一个1：15的模型。其实从图里可以看到，已经和我们现在看到的FAST馈源支撑系统非常接近了，因为这是馈源支撑系统是进入到详细设计之前的最后一个大型模型，就是要为了论证到底这样的一个方案可不可行，它的控制情况会是什么样子，所以我非常幸运的就参与其中。

　　整个工作忙完了，到了我2010年要毕业了，我该去找什么样子的工作，面临着我的职业选择。对我自己来说科研的路非常平坦，其实在研究生的这几年，我的科研成果包括一些创新设计获得了很多的肯定。我还在2010年的年初，获得了清华大学精密系的学术新秀，所以似乎来做科研是一个我好像顺理成章的事情。而当时做完了40米模型之后，我又有一种科研成果变成了工程实际的充实，感觉也很不错。所以这个时候我就会觉得在科研的过程中，我好像是在发现问题，然后去找到这些问题的“最好解”。但在工程过程中我需要融合各种各样的问题，我需要考虑到它的经费，它的工程可行性等等，会变成我要寻找“最优的解”。“最好的解”和“最优的解”都让我觉得很好，都乐趣无穷，这个时候FAST向我伸来了橄榄枝，问我愿不愿意加入这个团队，我当然是求之不得。

　　所以在那个时候我做了我的一个人生的选择，当时还有两件事特别影响我：一件事情是我们学校是一直倡导的我们一定要立大志、入主流，上大舞台做大事情，所以在这种历史的洪流中，我也希望成为其中的一份子；同时还有一个我在研究生这几年，跟着唐老师参与了很多次FAST的研讨会，会议上经常会有争执，会有质疑，年轻的我20多岁，我会有一种跃跃欲试的感觉，我想成为去击破这些质疑的一份子。我当时20多岁还带有少年感，觉得我应该要冲锋陷阵，我应该要去做有意义的事情，我应该要去做这些事情，所以我去选择这样一份工作。

　　我在27岁的时候正式加入了中国天眼团队，在29岁的时候就开始负责FAST馈源舱，但是其实像我这样的人在我们天眼里面很多，我们100多人的团队，其实有百分之七八十人都是刚刚毕业就进入到了FAST，我们都是折服于了FAST它的构想。

　　FAST我们可能大部分的大众看到是它庞大的样子，但其实它真正的，牛的地方是它的高性能，它的独特的设计，这些独特的设计在现在看来就是公认的FAST三大创新，但是我们走过的人却知道，这是我们曾经迈过的三个坎。

　　第一个坎是到底在哪里建？500米的大坑，你知道挖起来要多少钱吗？在我们立项的时候，2006，2007年的时候批复我们的经费只有6个多亿，而我们现在要建造一公里的地铁就需要10个亿，其实来讲这个经费是远远不够的，所以我们必须要找到一个天然的地方给我们建这么一个望远镜。现在都很难想象，南老师他们经过了十几年第一批的FAST的人通过遥感，通过一步步的走，去找到了这样一个坑，它不仅是地方好，而且它有比较好的溶洞卡斯特地貌，然后还有它在贵州相对来说偏远的地方有很好的射电环境，这使我们选择了它，但是十几年我们才找到了它。

　　第二个是我们创新的主动反射面技术。我们知道抛物面其实是会有一个焦点，是最大程度的能够把所有的射电信号去聚集在一个点，也就是说能一个时间能接收到的信号最多。这个设计好像听起来不错，但是我们的望远镜里面是由6000多根钢索来编织成了一个巨大的索网，而这些索网还有2000多个节点，下面有下拉索，还有2000多个促动器，同时在工作，来实现300米范围之内的从球面变成抛物面，也就是说在500米的大锅里面，可以形成无数个300米口径的抛物面，你可以看看它是怎么运动的。它其实就是通过这样子一个索网的变形来实现，搭载上面的面板的变形情况。

　　那么就会有一个问题了，在我们的计算中，我们发现需要找到的6000多根钢索是需要达到200万次的疲劳循环次数，应力幅达到500兆帕，那是当时国内国际相关标准，最高标准的2.5倍，我们根本找不到这样的钢索，我们该怎么办？

　　还有一个问题是，我们用了一个轻型的馈源支撑系统，我负责的天眼瞳孔就在里面，说起来很简单，它是用6根绳索来牵引一个30吨的馈源舱，可是它的定位精度是馈源舱上面馈源的向心点需要在200米的工作范围之内，定位在一个10毫米的小圆球里面，所以你能想象这个工作有多难吗？而且当时在90年代提出这个概念的时候，并联机器人还是一个比较新的产物，国内国外的研究都很少，就像右边这个图就是一个并联机器人，还有我们6根索形成的索并联机器人，更是全新事物，理论相对来说非常的匮乏，非常空白。

　　在FAST在建设的时候其实就面临着概念太过大胆了，它的技术理论太多空白，所以在FAST的提出之初，设计之时，哪怕到了最后建设之后，都会面临着很多的质疑，大家都说FAST到底能不能建成，建成之后能不能用。

　　面对这些质疑的时候，我们整个团队没有退缩，其实不光是我们，还有国内的很多高校和研究所，很多的工业单位和我们一起去共同用这些科技力量来实现了FAST。同样的其实我们看到的还有是FAST，也带领着我们一批一批的科技力量的成长，培养了一批又一批的科技人员，我也是其中的一份子。我做的科研工作大部分的科研成果都是针对FAST做的，而且我的科研成果大部分都是用在了FAST上面。

　　举一个小例子，“虚牵”，虚牵是索并联机器人一种共通的问题。如果说是用几根绳索去吊着一个重物，听起来很简单，但是你要调到这重物去达到它要的一个定位精度就会变得很难。所以如果这几根索里面的其中一根索相对比较小，或者是说这几根索，索力相对来说太不均匀的时候，就没有办法来实现它的定位的一个控制。那么怎么办？在之前我们都觉得这是根据索力，还有我定的规划轨迹相对有一些关系，所以前面做了大量这样的一个研究。但是因为在之前索并联机器人，大多都还用在实验样机或者理论研究，我们是要真刀实枪的用，在用的过程中，在前面的实验模型中，我们会发现，在实际中还是会出现虚牵。我是一个喜欢从结果找原因的人，就像在学校的时候，如果我碰到答不上来的题，我是喜欢翻了答案之后，再反过来找我的问题所在，然后把那一点攻破。所以我也把我的习惯用在这个上面，我翻阅了大量的实验结果，我发现不对，最终是要控制它的定位精度，我一定要从定位精度出发。所以我从它的定位精度反推过来的时候，会发现在一些位置上，它的索力对于控制精度极其敏感，所以针对这个问题，我建立了一个无量纲的指标体系，来描述到底在这个位置上对索力和控制精度的关系是什么样子的，用这个来指导设计，完成了最初的40米模型，当时的索并联机器人的姿态优化，最后优化的系数还用在我们500米的FAST上面。所以在这个过程中，其实我的研究思路是从工程问题中去揭示它的本质，然后通过这些本质，再做一些理论的创新，方法的创新。

　　当有一些我后面师弟师妹会问我说，做工程还能再做科研吗？我说太能了，你能发现它背后的原因，而且一定要去这种大的工程里面，因为大的工程一定是背后采用很多的新技术，新方法，都需要去做一些科研的突破。

　　当然除了科研以外，其实这个工程也给了我很多的锻炼。500米的大锅里，到现场去看的时候，馈源舱不是那么显眼，甚至你能从那种航拍的全景图上往下看的时候，好像找半天都找不到馈源舱，因为500米的大锅，馈源舱只有直径13米，但是它却有一个非常严格的重量指标，30吨，你不能超过，为什么？因为这直接涉及到整个索，还有6个塔，包括地质条件，各方面的条件，它都是连接的。所以当时给我的指标就是重量30吨，可是我们馈源舱却曾经一度到了三十四、三十五吨，而且减不下来，甚至越减越重。

　　在2014年的时候，如果你问我馈源舱长什么样，我会告诉你长这个样子，跟你现在看到是不一样的。这个是我们当时已经将近10年了，我们的感觉好像馈源舱大概就是这个样子。它是一个圆柱形的形状，但它接口非常多，我们做设计的时候当时面临着两个问题，一个就是我刚刚说的重量，因为它的设计指标不停的在变，我们不停的要去做优化设计，但是总也减不下来。就在我们已经减不下来的时候，又告诉我们说想在FAST刚开始用的时候，用一套超宽带的接收机，我说：也行，有多大，你把设计指标给我。结果他给了我之后发现，那一个就顶了，我们原有的九个馈源那么大。这怎么办？我没有地方可以装了。

　　我们馈源舱团队一起研究，和接收机团队一起合作发现，我们换了思路，我们做一个分组方案，一个装不下，换两个下平台，中间给我一点更换的时间。然后还是减不下来怎么办？我们做了一个形状的改变，你能看到右边这张图，有点像这种三角钻石型的图，就是我们后来做优化之后变成了一个形状。

　　其实刚开始我们优化成这个形状的时候，我们有点忐忑不安了，因为那么多年我们看习惯了圆柱体，这个形状猛一看的时候，我们会觉得不太习惯。所以我拿着这张图给南老师看的时候，我有点忐忑，我说：南老师我们想把形状改成这个样子行不行？南老师看了看说：对称的三角形，看起来还行，不难看。我们就把这个用作了最后馈源舱的形状，也是大家现在看到的馈源舱的形状。而也是因为有这样子的一个突破，所以我们很顺利的把我们刚刚说的超宽带的接收器装上了，而且FAST最早发现的科学成果，包括一开始的毫秒脉冲星都是它来完成的，所以它在很长的一段时间是帮助了FAST来击破，到底FAST能不能用的质疑。这个过程也让我觉得，其实工程中太多的不如意，太多的困难，但是你只有敢于创新，敢于去打破原来的固有的思维，你才有可能杀出一条血路。

　　在科研和工程过程中，除了我最初的理解的“最好的解”和“最优的解”以外，我在整个FAST建设期间还有了一些新的感觉，我会觉得可能科研有时候能单打独斗，因为我自己也单打独斗过，但是做工程真的不行，必须要团队合作，一方面是一种客观需求，因为工作内容太多，然后大家分的接口也非常多，合作的人多，单位多，你不团结，不一起合作往前走，你根本走不下来。还有一种也是主观的需求，我觉得我需要压力分解，因为太难了，有时候遇到问题我需要集思广益，需要大家一起来往前走。所以我觉得在一项大工程里，一个人优秀远远不够，它需要的是一个团队一起把这件事情做成了，这个项目才能说是优秀。但是反过来，如果说某一项工作做砸了，那有可能最后这项工程就完蛋了，所以说在团队里面来讲，每一个人的使命感和责任感，都有可能会直接影响到最后整个工程的结果。

　　FAST在2016年建成了，经过了不到15个月的调试期，就已经开始有成果出来了。大家听了一年多时间好长，但是要知道在国际上一般射电望远镜的调试期大约在4年左右，所以我们是用超快的速度完成了它的整个的调试，出了脉冲星的成果，还出了快速射电暴等等一系列的成果。大家开始了有了肯定，原来的质疑好像开始平息下来了，我们才微微松了一口气。

　　我见证了FAST整个的成长，16年之间我自己也成长了很多，其实我觉得更有幸的是还见证了在FAST背后的很多科研成果，而且还在我们国家落地得到更广泛的应用。

　　比如说我刚刚提到的200万次500MPa应力幅的钢索，南老师还有他当时的助理姜鹏几乎走遍了国内所有的钢索厂家，最后也联合了研发单位，还有我们国内的厂家，一起研发出了这种钢索，而且钢索还用在了珠港澳大桥的建设中。

　　我们的馈源里面要80多芯的这种光缆，80多芯的数据，要通过两根48芯的光缆传递出来，48芯的光缆它的这种高性能，当时国内国际也是没有的，也是为了我们研发，还有考虑到它疲劳次数，而这个也提升了我国自己的研发，还有它的制造水平，这种光缆也得到更广泛的应用。

　　我无意搜了一下发现，其实基于FAST索并联机器人研究的，硕博士论文就已经超过百篇，而在这十几年间，我看到了国内很多的索并联机器人的研究团队也在应运而生，包括我们现在的航空航天中的一些设备，还有人体助力等等，这都是我们愿意看到的，因为FAST不仅是一个大工程，它的背后有非常多科技力量的成果在一起的进步。

　　我自己也在这个过程中获得了很多的肯定和激励，FAST更是获得了很多的团队荣誉。有人说FAST的现在情况算是功成名就了吧，大家在看到这些科技上的成果，看到现在天文方面的发现的时候，其实我们已经悄悄转变了，我们从FAST工程团队，现在叫做FAST运行和发展中心。我们现在正在负责设备的运行和维护，来全力保障设备24小时的一个运行状况。同时我们还要再继续进行这些设备相关的升级工作，来扩展它更多的功能，为天文学家提供更多探索未知的可能。

　　刚刚说的南老师当时的助理姜鹏，在2017年调试期的时候，他开始接过了南老师手中的接力棒，成为了我们FAST团队的总工。他现在正在琢磨着要不要基于FAST做雷达天文学的研究。什么是雷达天文学呢？就是有一个主动雷达去向天体发射信号，然后FAST去接收，因为我们的灵敏度很高，我们接收的效果很好，这样子来进行一些天体结构，还有精确测距的研究。

　　经过那么多年的发展，我们所有人的科研的感觉，还有这种创新思维，这种经验，我们觉得是能够助力我们进一步的做一些科研创新的。

　　不光是他，还有我的同事甘恒谦，还有刘鸿飞，他们正在致力于国产的高性能的接收机的研发；还有我的同事也是我的领导李辉老师，他现在正在做反射面相关的功能的升级，还有未来整个观测天区的增大；还有我的同事孙金海，他也在优化整个的观测效率；我也没停下来，我还想进一步的去优化馈源舱，馈源舱当时减重减不下来，我现在索性想把里面的结构改一改，我还要用一个可重构的索并联机器人来代替现在里面的刚性并联机器人，有可能减重1/3，那么也就是说有可能会装更多的接收机，有可能能扩展更多的功能。所以在这条科研的路上我们都没有停歇。

　　FAST好像是建成了，用了，但是背后100多人的这个团队还在继续前行。我觉得能够和我的这些同事们一起工作十几年，特别幸运。能够和他们一起现在还坚守在FAST，也觉得特别踏实。

　　未来的路不会一路平坦，但是我们有准备。未来，我相信还会有更多年轻的我们，比如现在就有00后要加入我们，我也相信有更多的90后，00后，10后能够加入到国之重器中来。

　　我也希望我们能够稍稍告慰一下南老师，让他看到因为FAST聚集了国内国外的所有的天文学家，还有科技工作者，一起在这里探寻宇宙更广阔的一些未知场景。

　　我们FAST准备好了。

　　谢谢。

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责任编辑：钟娴