姚蕊：守護中國天眼的瞳孔，與大國重器一同成長_風聞

“中國天眼”正在用它世界上最靈敏的大眼鏡望向宇宙深處。守護中國天眼，在最美的年華和大國重器一起成長，找尋科研的、人生的“最好解”和“最優解”。

大家看一下這張圖片，這是被譽為"中國天眼"的，500米口徑球面射電望遠鏡FAST。

它是在1994年的時候，由中國天文學家南仁東先生提出，歷時二十二年，在2016年的9月25日正式落成啓用。這個望遠鏡是由中國科學院國家天文台主導建設，具有我國自主的知識產權，現在世界上單口徑最大，最靈敏的射電望遠鏡。

在2020年的1月11日，我們通過了國家驗收，開啓了第一個觀測季，迄今為止我們已經發現了新脈衝星300餘顆，還有快速射電暴等一系列的成果。

在2021年的3月31日零點，我們開始向全世界的科學家正式開放了。

它是世界上靈敏度最高的望遠鏡，靈敏度代表什麼呢？當你的靈敏度越高的時候，同一時間你能接收到的天體信號會越強，你就可以探索更多的未知。這是我國建設的射電望遠鏡，第一次站在世界的制高點上，而且在未來的10~20年，它的靈敏度仍然是國際的領先水平。

如果説現在把FAST譽為"天眼"，那麼在中間的這一個直徑13米，重30噸的，裝有接收機並且要把它精確定位的這個東西就被大家比喻成"瞳孔"，我就是 FAST"瞳孔"守護人，我叫姚蕊。

我參與它的研究和工作已經將近十六年。有人説：你真是值了！我覺得“值了”這兩個字，是我參與了十六年工作最簡短，但是卻最有力的總結。也有人問我：你怎麼能夠參加這樣一個項目？我覺得這裏面有我的機緣巧合，還有我的人生選擇。

我是2005年的時候進入清華大學讀研究生，我所在的研究室主要是做應用科學研究，研究方向是並聯機器人。因為我生長在一個工科背景的家庭，從小在製圖板上長大的我，報大學志願的時候，第一志願就是機械工程，最後我也如願以償了，能把個人的愛好和國家的需求結合在一起，就是一個非常理想的方向。但是因為考慮到我是女生，我們實驗室的老師會特別照顧我一下，他們説經常去工廠出差，不太方便，所以就讓我跟着我們實驗室的唐曉強老師，來進入一個課題，這個課題就是FAST饋源支撐系統的研究。

和大家現在看到的FAST不一樣，我最初看到的FAST就是像左上邊這張圖一樣，FAST那時候有很多不一樣的方案。饋源支撐系統不是像現在看到的6根繩索去牽引的，有4根、8根、12根等等不同的方向。我一開始介入的時候是這樣的一個4索模型，我要進行整個，索並聯機器人的相關研究，進行它的運動學、靜力學、剛度、優化設計等等，在這個過程中，我積累了很多的理論的知識，也做了一些研究。

到了2009年的時候，唐老師當時是作為FAST饋源支撐系統的聯合總工，他和國家天文台一起策劃，在密雲建立了一個40米的饋源支撐系統模型，這是一個1:15的模型，我非常幸運地就參與其中。到了我要畢業了，似乎做科研是順理成章的事情，但做完了40米模型之後，我又有一種科研成果變成了工程實際的充實感。在科研的過程中，我好像是在發現問題，然後去找到這些問題的“最好解”。但在工程的過程中，我需要融合各種各樣的問題，我需要考慮到它的經費，它的工程可行性等等，會變成我要尋找“最優的解”。“最好的解”和“最優的解”都讓我覺得很好，都樂趣無窮。

當時還有兩件事特別影響我：一件事情是我們學校是一直倡導着我們一定要**“立大志，入主流，上大舞台，成大事業”。**所以在這種歷史的洪流中我也希望成為其中的一份子。同時還有一件事情，我跟着唐老師參與了很多次FAST研討會，會議上經常會有爭執，會有質疑，年輕的我二十多歲，我會有一種躍躍欲試的感覺，我想成為去擊破這些質疑的一份子。我覺得當二十多歲還帶有少年感的感覺，就是覺得我應該要衝鋒陷陣。

這個時候FAST向我伸來了橄欖枝，問我願不願意加入這個團隊，那我當然是求之不得，所以我在二十七歲的時候，正式加入了“中國天眼”團隊，在二十九歲的時候，就開始負責FAST饋源艙。

FAST真正牛的地方是它的高性能，它的獨特的設計，這些獨特的設計在現在看來，就是公認的FAST三大創新，但是我們走過的人卻知道，這是我們曾經邁過的三個坎。

**第一個坎是到底在哪裏建？**500米一個大坑，你知道挖起來要多少錢嗎？在我們立項的時候 2006年 2007年，批覆我們的經費只有六個多億，而我們現在要建造一公里的地鐵，就需要十個億，其實來講這個經費是遠遠不夠的，所以我們必須要找到一個天然的地方，給我們建這麼一個望遠鏡。

現在都很難想象，南老師他們第一批的FAST人，經過了十幾年，通過遙感，通過一步步地走，找到了這樣一個坑。它不僅是地方好，而且它有比較好的溶洞喀斯特地貌，還有它在貴州相對偏遠的地方，有很好的射電環境，這使我們選擇了它，但是十幾年，我們才找到了它，FAST整體投資在11.6個億。

**第二個坎是我們創新的主動反射面技術。**我們知道拋物面其實是會有一個焦點，是最大程度的 能夠把所有的射電信號，去聚集在一個點。也就是説，一個時間能接收到的信號最多，這個設計好像聽起來不錯，但是要知道我們的望遠鏡裏面，是有6000多根鋼索來編織成一個巨大的索網，而這些索網還有2000多個節點下面有下拉索，還有2000多個促動器同時在工作，來實現300米範圍之內的，從球面變成拋物面。

也就是説在我們500米的大鍋裏面，我們可以形成無數個300米口徑的拋物面，你可以看看它是怎麼運動的。那麼就會有一個問題了，我們發現要用到的6000多根鋼索，是需要達到200萬次的疲勞循環次數，要應力幅達到500MPa，這是當時國內國際相關標準，最高標準的2.5倍，我們根本找不到這樣的鋼索，我們該怎麼辦？

**第三個坎是，我們用了一個輕型的饋源支撐系統，就像我負責的天眼的瞳孔就在裏面。**説起來很簡單，它是用6根繩索來牽引一個30噸的饋源艙。**可是它的定位精度是饋源艙上面饋源的向心點，需要在200米的工作範圍之內，定位在一個10毫米的小圓球裏面，**所以你能想象這個工作有多難嗎。而且當時在90年代提出這個概念的時候，並聯機器人還是一個比較新的產物，國內國外的研究都很少，就像右邊這個圖就是一個並聯機器人，還有我們6根索形成的索並聯機器人，那時候更是全新事物。

FAST在建設的時候，其實就面臨着概念太過大膽了，它的技術理論太多空白，國內工業的整個基礎都不夠強大，因此在FAST提出之初，設計之時，哪怕到了最後建設之後，都會面臨着很多很多的質疑。

大家都説FAST到底能不能建成，建成之後能不能用，面對這些質疑的時候，我們整個團隊沒有退縮，其實不光是我們，還有國內的很多高校和研究所，還有很多很多的工業單位和我們一起，去共同用科技力量來實現了FAST。同樣的我們看到FAST也帶領着我們一批一批科技力量的成長，培養了一批又一批的科技人員，我也是其中的一份子。

舉一個小例子"虛牽" 。虛牽是索並聯機器人一種共通的問題，**如果説你是用幾根繩索去吊着一個重物，聽起來很簡單，但是你要吊着這個重物，去達到它要的一個定位精度，就會變得很難。**所以如果這幾根索裏面的其中一根索力相對比較小，或者是説這幾根索的索力，相對來説太不均勻的時候，你就沒有辦法來實現它的定位的控制。那麼怎麼辦，我們是要真刀實槍地用，在前面的實驗模型中我們會發現，在實際中還是會出現虛牽。

**我是一個喜歡從結果找原因的人，**我翻閲了大量的實驗結果發現不對，最終是要控制它的定位精度，我從它的定位精度反推過來之後發現，在一些位姿上的時候，它的索力對於控制精度極其敏感，所以針對這個問題，我建立了一個無量綱的一種指標體系，來完成了最初的40米模型，當時的索並聯機器人的姿態優化，最後優化的係數，還用到了我們500米的FAST上面。在這個過程中，其實我的研究思路是從工程問題中，去揭示它的問題，揭示它的本質，然後通過這些本質，再做一些理論的創新，方法的創新。

**所以當有一些我的師弟師妹會問我，做工程還能再做科研嗎？**我説：太能了，你能發現它背後的原因，它背後一定是有原因的。而且我説：一定要去這種大的工程裏面，因為大的工程一定是背後採用很多的新技術、新方法，你都需要去做一些科研的突破。

當然除了科研以外，其實這個工程也給了我很多的鍛鍊。我在負責饋源艙，500米的大鍋裏饋源艙只有直徑13米，但是它卻有一個非常嚴格的重量指標：30噸。你不能超過，為什麼？因為這直接涉及到整個索，還有6個塔，包括地質條件等，各方面的條件它都是連接的。所以當時給我的指標就是重量30噸，可是我們饋源艙卻曾經一度到了34~35噸，而且減不下來，甚至越減越重。

在2014年的時候，如果你問我饋源艙長什麼樣，我會告訴你長這個樣子，跟你現在看到的是不一樣的，它是一個圓柱形的形狀。但它接口非常多，我們做設計的時候，當時面臨着兩個問題，一個就是我剛剛説的重量，因為它的設計指標不停地在變，我們不停地要去做優化設計，但是怎麼也減不下來。就在我們已經減不下來的時候，又告訴我們除了裏面的九套饋源接收機，我們還想用一套超寬帶的接收機。我説：也行，有多大，你把設計指標給我。結果給了我之後發現，那一個就頂我們九個那麼大，這怎麼辦？我沒有地方可以裝了。

我們饋源艙團隊自己一起研究，和接收機團隊一起合作後來發現，我們換個思路吧，我們做一個分組方案，一個裝不下，我們換兩個下平台，中間給我一點更換的時間。然後還是減不下來怎麼辦？

我們做了一個形狀的改變，你能看到右邊的這張圖，有點像這種三角鑽石型的圖，就是我們後來做優化之後變成的一個形狀。剛開始我們優化成這個形狀的時候，還有點忐忑不安，因為那麼多年我們看習慣了圓柱體，所以我拿着這張圖給南老師看的時候，我有點忐忑。南老師看了看説：對稱的三角形，看起來還行，不難看。然後我們就把這個設計，用作了我們最後饋源艙的形狀，也是大家現在看到的饋源艙的形狀。而也是因為有這樣子的一個突破，我們很順利地把我們剛剛説的超寬帶的接收器裝上了，而且FAST最早發現的科學成果，包括一開始的毫秒脈衝星都是它來完成的，所以它在很長的一段時間內是幫助了FAST來擊破，到底FAST能不能用的這一個質疑。

這個過程也讓我覺得，其實工程中有太多的不如意，太多的困難，但是你只有敢於創新，敢於去打破原來的固有的思維，你才有可能殺出一條血路。

在科研和工程過程中，除了我最初理解的，“最好的解”和“最優的解”以外，我在整個FAST 建設期間，我還有了一些新的感覺。**我會覺得可能科研有時候能單打獨鬥，但是做工程真的不行，必須要團隊合作。**一方面是一種客觀需求，因為工作內容太多，大家分的接口也非常多，合作的人多，單位多，你不團結，不一起合作往前走，你根本走不下來。還有一種是主觀的需求，我覺得我需要壓力分解，因為太難了，有時候遇到問題我需要集思廣益，需要大家一起來往前走。所以我覺得在一項大工程裏，一個人優秀遠遠不夠，它需要的是一個團隊 一起把這件事情做成了，這個項目才能説是優秀，每一個人的使命感和責任感，可能會直接影響到最後整個工程的結果。

FAST在2016年建成了，然後經過了不到15個月的調試期，就已經開始有成果出來了。其實15個月，大家聽了覺得一年多好長，但是要知道在國際上，一般射電望遠鏡的調試期大約在4年左右，所以我們是用超快的速度，完成了它的整個的調試，出了脈衝星的成果，還出了快速射電暴等等一系列的成果。大家開始有了肯定，原來的質疑好像開始平息下來了，我們才微微鬆了一口氣。

我見證了FAST整個的成長，十六年之間，我自己也成長了很多。但我覺得更有幸的是，還見證了在FAST背後的很多科研成果在我們國家落地，並且得到更廣泛的應用。

比如説我剛剛提到的，200萬次，500MPa應力幅的鋼索。南老師還有他當時的助理姜鵬，幾乎走遍了國內所有的鋼索廠家，最後也聯合了研發單位，還有我們國內的廠家，一起研發出了這種鋼索，而且這個鋼索還用在了港珠澳大橋的建設中。

還有我們的饋源裏面要48芯的光纜，這種48芯的高性能光纜，當時國內國際也是沒有的，也是為了我們研發，而這也提升了我國自己的研發和製造水平，這種光纜也得到了更廣泛的應用。

我無意搜了一下，發現其實基於 FAST，索並聯的機器人的研究，碩博士論文就已經超過百篇。而在這十幾年間，我看到了國內很多索並聯機器人的研究團隊也在應運而生。這都是我們願意看到的，因為FAST不僅是一個大工程，它是背後的一羣科技力量的成果，以及科技的進步。

經過那麼多年的發展，我們所有人都積累了自己的科研感覺，創新思維，以及經驗，我們覺得是能夠助力我們進一步做一些科研創新的。

剛剛説的南老師當時的助理姜鵬，在2017年調試期的時候，他開始接過了南老師手中的接力棒，成為了我們FAST團隊的總工。他現在正在琢磨，我們要不要基於FAST，做做雷達天文學的研究，就是有一個主動雷達去向天體發射信號，然後FAST去接收，因為我們的靈敏度很高，我們接收的效果很好，這樣子來進行一些天體結構，一些精確測距的研究。

不光是他，還有我的同事甘恆謙和劉鴻飛，他們正在致力於，國產高性能接收機的研發。還有我的同事也是我的領導李輝老師，他現在正在做反射面相關的功能的升級，包括未來的整個觀測天區的增大。還有我的同事孫京海，他也在優化整個的觀測效率。我也沒停下來，我還想進一步地去優化饋源艙，當時饋源艙減重減不下來，我現在索性想把裏面的結構改一改，要用一個可重構的索並聯機器人，來代替現在裏面的剛性並聯機器人，有可能減重三分之一，也就是説有可能會裝更多的接收機，有可能能擴展更多的功能。

所以在這條科研的路上，我們都沒有停歇。

未來的路不會一路平坦，但是我們有準備。

未來，我相信還會有更多年輕的我們。現在就有00後要加入我們了，我也相信有更多的90後，00後，10後，能夠加入到國之重器中來。

我也希望，我們能夠稍稍告慰一下南老師，讓他看到因為FAST聚集了，國內國外的所有的天文學家，還有科技工作者，一起在這裏探尋宇宙更廣闊的一些未知場景。

我們，我們FAST 的我們準備好了！