该机器人系统由加州理工学院的研究人员开发，资金来自美国国防高级研究计划局。它是DARPA“新型轨道与月球制造、材料及质量高效设计”计划的一部分，该计划旨在探索直接在太空中制造和组装巨型结构的方法。
该机器人不依赖宇航员来连接各个部件，而是使用自动化机械臂从附近的储存分配器中取回结构管件和连接接头。随后，它将这些部件连接成重复的区段（称为“桁架舱段”），从而构成一个更大的支撑框架，即桁架。
“这是首次在太空中自主建造结构，”Sergio Pellegrino表示。他是Joyce和Kent Kresa航空航天与土木工程教授、Lynn Booth和Kent Kresa航空航天系领导力讲席教授、航空航天系执行负责人，同时也是加州理工学院替NASA管理的喷气推进实验室的资深研究科学家。
迈向在太空建造巨型结构的历史性一步
Pellegrino领导加州理工学院的“自主在轨张紧式反射器组装”演示项目。该机器人系统已在轨道上运行了六个月，试图建造一个直径1.4米的反射器天线。其设计结合了复合材料纤维管、铝制连接件，以及由Kapton（航天器中常用的一种耐用聚合物薄膜）制成的轻质反射面。
DARPA将该组装过程比作用高级版的K'Nex或Tinkertoy拼装玩具进行搭建。然而，让机器人在恶劣的太空环境中可靠地完成同样的任务，是一个大得多的工程挑战。
团队遇到了技术难题和时间安排上的限制，未能完成整个天线的建造。尽管如此，机器人成功组装了第一个区段，证明这种建造方法可以在轨道上运行。研究人员相信，同样的基本方法最终可以支撑携带巨型反射面的更大框架。
此次轨道实验是DARPA研究计划的第三阶段。在前两个阶段中，加州理工学院的研究人员提出了建造概念，完成了工程设计，并在地球上的实验室实验中验证了其运行情况。随后，团队只有不到12个月的时间来制造、测试航天硬件，并将其交付给载荷托管公司Momentus公司。
“在如此短的时间内开发这种复杂程度的载荷，对我们这个小团队来说是一项艰巨的任务，”Pellegrino说。他还是空间太阳能发电项目的联合主任，该项目旨在在太空中收集太阳能并无线传输到地球表面。“随着任务接近尾声，我们终于可以开始思考这次演示所开辟的新研究方向了。”
科学家为何想在轨道上建造巨型结构
直接在太空中组装大型结构的能力可能会改变天文学、通信和天基能源系统。
例如，未来的望远镜可以使用巨型反射面来收集更多光线并观测极其遥远的天体。类似的结构还可以支撑强大的射电天线，使科学家和工程师能够建造远大于目前可发射规模的通信系统。
最大的障碍之一是火箭整流罩内部空间有限。整流罩是发射时包围载荷的保护罩。无论航天器设计多么宏大，其各部件都必须以某种方式装进这个狭小的空间内。
传统上，工程师通过两种方式解决这个问题：要么将大型结构折叠成紧凑的包裹，入轨后再展开；要么发射分立的部件，由宇航员在太空中组装。这两种方法都对最终结构的尺寸和复杂性构成了实际限制。
机器人建造提供了第三种可能性。工程师无需将巨型望远镜或天线塞进火箭内部，而是可以将其材料运入轨道，并在那里组装完整的系统。
DARPA的千米级太空结构计划
DARPA于2022年设立了NOM4D计划，据该计划网站介绍，其目的是研究最终能够“将原材料从地球运送至轨道进行在轨制造”的技术。
加州理工学院的ASTRA实验是仅有的两个入选进入该计划第三阶段的项目之一，该阶段涉及在轨道上演示建造技术。
另一个项目由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校领导，将使用一个连接到国际空间站的模块来研究一种在太空中固化碳管的技术。这可能提供另一种制造结构部件的方法，而无需在地球上完成每一步工序。
“NOM4D的目标是实现在太空中高效、可扩展地建造超大型结构，”DARPA的NOM4D项目经理Andrew Detor在书面声明中表示。“我所说的‘超大型’，是指数百米乃至千米级的规模。如今还没有任何接近这种规模的结构能够实现。”
这类结构最终可能有数个足球场那么长，甚至延伸数千米，远远超出常规航天器的尺寸。
加州理工学院的建造机器人如何进入太空
ASTRA于2026年3月30日启程，当天清晨，SpaceX的Transporter-16任务从加利福尼亚州范登堡太空军基地发射升空。
该机器人搭乘Momentus公司的Vigoride 7轨道飞行器进入太空，该飞行器将10个不同的载荷送入近地轨道。ASTRA占据了约一立方米的空间，这个紧凑的包裹中既包含组装机械，也包含建造所需的材料。
包裹内有两个预先组装好的桁架舱段，用斜管和连接接头进行了加固。载荷还包括一个机械臂和装有建造剩余区段所需部件的电动分配器。
发射成功对在地球上观看的小型工程团队来说是一个激动人心的时刻。曾在加州理工学院从事博士后研究、现任德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授的Jaden Suh，看到搭载着他团队成果的航天器飞向轨道时，激动得热泪盈眶。
“从小时候起，我就对太空结构充满好奇和兴趣。就像许多在这个领域工作的工程师一样，把自己的东西送上太空是我毕生的梦想，”Suh说，“能有机会从头开始参与这个项目，我非常幸运。这个系统中包含了我许多最初的想法，看到它进入太空真是太不可思议了。”
在地球上空数百英里处建造结构
ASTRA入轨后，研究人员开始通过Vigoride航天器向其机载计算机发送指令来操作系统。
最初的步骤包括释放发射期间固定各部件的机构。随后，机器人将两个预先组装好的桁架舱段从机器中伸出，并使用机载组装系统开始建造第三个舱段。
三名团队成员在地球上管理建造指令：加州理工学院前系统工程师Charles Sommer、加州理工学院研究工程师Alan Truong，以及研究生Tara Venkatadri（理学硕士'24届）。
虽然机器人自动执行组装操作，但研究人员通过从轨道传回的照片监控其进度。当出现问题时，他们会检查图像，调整指令，然后再次尝试操作。
这些挫折是检验该技术能否在受控实验室之外运行的重要经验。
“这基本上就是进行概念验证测试的原因。太空环境与地面环境相比存在很多差异，”Suh解释道，“总会出现许多小意外。”
从地球上解决意外问题
为了诊断轨道上的问题，工程师们依靠保存在加州理工学院Pellegrino实验室的另一套ASTRA系统。这套备用设备被称为“飞行备份件”，使研究人员能够重现太空机器人遇到的困难，并试验可能的解决方案。
“每次我们确认太空中出现问题时，就会来到实验室，尝试在地面模拟这个问题，”Sommer说。
通信限制使故障排除尤为困难。团队每天只有大约七到八个短暂的时段可以联系ASTRA，每次机会仅持续约15分钟。
这意味着工程师必须充分利用有限的通信窗口。他们利用实验室中的孪生系统来研究问题、评估不同解决方案，并确定哪些调整最有可能奏效。一旦解决方案确定，他们便将修改后的指令发送给轨道上的机器人。
这一过程帮助团队克服了许多意想不到的困难，同时收集了关于未来自主建造系统需要什么才能更可靠运行的重要信息。
机器人如何组装太空天线
ASTRA的预期建造过程涉及一系列精心协调的重复动作。
首先，机械臂从储存分配器中取回结构部件。它将管件和接头定位在组装板上，并将其连接起来形成一个新的桁架舱段。
框架组装完成后，机器人会贴附一层带有许多微小开孔的薄反射膜。这种材料形成两张反射索网，通过弹簧相互张紧，帮助形成的表面保持其设计形状。
这种特殊薄膜由加州理工学院和宾夕法尼亚大学的研究人员共同发明，宾大合作团队由Igor Bargatin教授领导。
与折叠式反射器中常用的编织金属网不同，这种多孔膜保持形状所需的张力更小。这使得工程师能够减少所需支撑结构的数量，从而有可能大大减轻整个组件的重量。
在太空工程中，减轻重量尤为宝贵，因为每增加一公斤都会增加运载火箭的负担。
当一个舱段完成且其反射部件准备就绪后，机器人系统会将完成的区段向外推入太空，然后开始组装下一个舱段。
完整的ASTRA天线设计需要11个相连的舱段，每个舱段都与反射索网相连，并从组装系统向外延伸。
一次意义深远的小型演示
尽管成功演示了建造技术，但研究人员并不期望ASTRA能在12月任务结束前完成全部11个舱段的组装。
实验揭示了机器人硬件和组装流程可以简化和改进的多个方面。即使天线没有最终完成，团队也相信自己已经收集了足够的证据，证明该方法在技术上是可行的。
其意义远远超出了本次演示中使用的相对较小的天线。
未来的机器人建造系统可以帮助科学家建造能收集更多光线的巨型太空望远镜、可支持先进通信的射电天线，以及设计用于在轨道上捕获阳光的巨型太阳能电池阵列。
这类太阳能系统 potentially可以将收集的能量无线传输到地球上的接收器，加州理工学院的空间太阳能发电项目正在探索这一构想。
更广泛地说，这次成功的测试表明，未来太空基础设施的规模可能不再总是受限于发射其部件所用火箭的尺寸。
“一旦达到了结构无法在地面预先建造并展开的尺寸极限，你就必须考虑如何在太空中建造它们，”Pellegrino说，“因此，这项工作不仅对天文学和天体物理学有用，对通信以及其他领域也很有用，比如为空间太阳能发电建造超大型太阳能阵列。”