姚蕊：守护中国天眼的瞳孔，与大国重器一同成长

“中国天眼”正在用它世界上最灵敏的大眼镜望向宇宙深处。守护中国天眼，在最美的年华和大国重器一起成长，找寻科研的、人生的“最好解”和“最优解”。

大家看一下这张图片，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，历时二十二年，在2016年的9月25日正式落成启用。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，现在世界上单口径最大，最灵敏的射电望远镜。

在2020年的1月11日，我们通过了国家验收，开启了第一个观测季，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日零点，我们开始向全世界的科学家正式开放了。

它是世界上灵敏度最高的望远镜，灵敏度代表什么呢？当你的灵敏度越高的时候，同一时间你能接收到的天体信号会越强，你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誉为"天眼"，那么在中间的这一个直径13米，重30吨的，装有接收机并且要把它精确定位的这个东西就被大家比喻成"瞳孔"，我就是 FAST"瞳孔"守护人，我叫姚蕊。

我参与它的研究和工作已经将近十六年。有人说：你真是值了！我觉得“值了”这两个字，是我参与了十六年工作最简短，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。

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，研究方向是并联机器人。因为我生长在一个工科背景的家庭，从小在制图板上长大的我，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，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。但是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晓强老师，来进入一个课题，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就是像左上边这张图一样，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的6根绳索去牵引的，有4根、8根、12根等等不同的方向。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，我积累了很多的理论的知识，也做了一些研究。

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，我非常幸运地就参与其中。到了我要毕业了，似乎做科研是顺理成章的事情，但做完了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。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”。但在工程的过程中，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。

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着我们一定要“立大志，入主流，上大舞台，成大事业”。所以在这种历史的洪流中我也希望成为其中的一份子。同时还有一件事情，我跟着唐老师参与了很多次FAST研讨会，会议上经常会有争执，会有质疑，年轻的我二十多岁，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。我觉得当二十多岁还带有少年感的感觉，就是觉得我应该要冲锋陷阵。

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，那我当然是求之不得，所以我在二十七岁的时候，正式加入了“中国天眼”团队，在二十九岁的时候，就开始负责FAST馈源舱。

FAST真正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米一个大坑，你知道挖起来要多少钱吗？在我们立项的时候 2006年 2007年，批复我们的经费只有六个多亿，而我们现在要建造一公里的地铁，就需要十个亿，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，南老师他们第一批的FAST人，经过了十几年，通过遥感，通过一步步地走，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喀斯特地貌，还有它在贵州相对偏远的地方，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，FAST整体投资在11.6个亿。

第二个坎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，一个时间能接收到的信号最多，这个设计好像听起来不错，但是要知道我们的望远镜里面，是有6000多根钢索来编织成一个巨大的索网，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。

也就是说在我们500米的大锅里面，我们可以形成无数个300米口径的抛物面，你可以看看它是怎么运动的。那么就会有一个问题了，我们发现要用到的6000多根钢索，是需要达到200万次的疲劳循环次数，要应力幅达到500MPa，这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？

第三个坎是，我们用了一个轻型的馈源支撑系统，就像我负责的天眼的瞳孔就在里面。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，那时候更是全新事物。

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，国内工业的整个基础都不够强大，因此在FAST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，还有很多很多的工业单位和我们一起，去共同用科技力量来实现了FAST。同样的我们看到FAST也带领着我们一批一批科技力量的成长，培养了一批又一批的科技人员，我也是其中的一份子。

举一个小例子"虚牵" 。虚牵是索并联机器人一种共通的问题，如果说你是用几根绳索去吊着一个重物，听起来很简单，但是你要吊着这个重物，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力相对比较小，或者是说这几根索的索力，相对来说太不均匀的时候，你就没有办法来实现它的定位的控制。那么怎么办，我们是要真刀实枪地用，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，我翻阅了大量的实验结果发现不对，最终是要控制它的定位精度，我从它的定位精度反推过来之后发现，在一些位姿上的时候，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一种指标体系，来完成了最初的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，还用到了我们500米的FAST上面。在这个过程中，其实我的研究思路是从工程问题中，去揭示它的问题，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。

所以当有一些我的师弟师妹会问我，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，它背后一定是有原因的。而且我说：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，你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。我在负责馈源舱，500米的大锅里馈源舱只有直径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，包括地质条件等，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34~35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，跟你现在看到的是不一样的，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地在变，我们不停地要去做优化设计，但是怎么也减不下来。就在我们已经减不下来的时候，又告诉我们除了里面的九套馈源接收机，我们还想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。结果给了我之后发现，那一个就顶我们九个那么大，这怎么办？我没有地方可以装了。

我们馈源舱团队自己一起研究，和接收机团队一起合作后来发现，我们换个思路吧，我们做一个分组方案，一个装不下，我们换两个下平台，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，你能看到右边的这张图，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的一个形状。刚开始我们优化成这个形状的时候，还有点忐忑不安，因为那么多年我们看习惯了圆柱体，所以我拿着这张图给南老师看的时候，我有点忐忑。南老师看了看说：对称的三角形，看起来还行，不难看。然后我们就把这个设计，用作了我们最后馈源舱的形状，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，我们很顺利地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内是帮助了FAST来击破，到底FAST能不能用的这一个质疑。

这个过程也让我觉得，其实工程中有太多的不如意，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，除了我最初理解的，“最好的解”和“最优的解”以外，我在整个FAST 建设期间，我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，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，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，每一个人的使命感和责任感，可能会直接影响到最后整个工程的结果。

FAST在2016年建成了，然后经过了不到15个月的调试期，就已经开始有成果出来了。其实15个月，大家听了觉得一年多好长，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，十六年之间，我自己也成长了很多。但我觉得更有幸的是，还见证了在FAST背后的很多科研成果在我们国家落地，并且得到更广泛的应用。

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，而且这个钢索还用在了港珠澳大桥的建设中。

还有我们的馈源里面要48芯的光缆，这种48芯的高性能光缆，当时国内国际也是没有的，也是为了我们研发，而这也提升了我国自己的研发和制造水平，这种光缆也得到了更广泛的应用。

我无意搜了一下，发现其实基于 FAST，索并联的机器人的研究，硕博士论文就已经超过百篇。而在这十几年间，我看到了国内很多索并联机器人的研究团队也在应运而生。这都是我们愿意看到的，因为FAST不仅是一个大工程，它是背后的一群科技力量的成果，以及科技的进步。

经过那么多年的发展，我们所有人都积累了自己的科研感觉，创新思维，以及经验，我们觉得是能够助力我们进一步做一些科研创新的。

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，我们要不要基于FAST，做做雷达天文学的研究，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，一些精确测距的研究。

不光是他，还有我的同事甘恒谦和刘鸿飞，他们正在致力于，国产高性能接收机的研发。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，包括未来的整个观测天区的增大。还有我的同事孙京海，他也在优化整个的观测效率。我也没停下来，我还想进一步地去优化馈源舱，当时馈源舱减重减不下来，我现在索性想把里面的结构改一改，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，有可能减重三分之一，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。

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。现在就有00后要加入我们了，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，我们FAST 的我们准备好了！