#astro-ph##MUST 6.5m# 从郭守敬望远镜（LAMOST）开始，自动化的光纤定位器“机器人”就成为了现代大规模光谱巡天的核心技术。目前，世界上最大规模的光谱巡天-美国暗能量光谱巡天（DESI）项目就使用了5,000个原理和LAMOST的类似的“双回转”（R-theta）光纤定位器。这种类型的定位器由两个马达驱动两个金属臂，负责在覆盖范围（Patrol Area）内稳定地将光纤指向特定位置。但随着光谱巡天的规模越来越大，对光纤定位器密度的要求越来越高，天文学家和工程师均开始寻找将光纤定位器越做越小的方法。比如MUST项目就要求把定位器的直径从DESI的10毫米左右缩小到6毫米左右，这对定位器的核心部件-无刷电机-的制造和加工，以及定位器整体的设计都提出了很大挑战。根据公开的资料，目前瑞士洛桑联邦理工大学（EFPL; 图一是EPFL天体物理实验室（LASTRO）团队面向包括MUST在内的第五阶段光谱巡天研发的6.2mm双回转光纤定位器原型；图片作者为Alian Herzog/EPFL）和中国科学技术大学的团队均已经能实现6毫米左右双回转机器人的设计和原型生产。

与此同时，针对光纤密度的要求，澳大利亚团队也主导了一种被称为“摆杆式”（Tilting Spine）的光纤定位器。这种类型的定位器通过一个Ball Pivot（似乎翻译成“滚珠支枢”）的机构驱动一个长碳纤维杆内顶端光纤头的定位运动。但这种方式会不可避免地引入光纤头角度的变化，导致光纤在焦面接收到望远镜入射光束的实际焦比发生变化（所谓的几何焦比退化，Geometric Focal Ratio Degradation)，所以不适合技术需求严苛的宇宙学巡天。

近日，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的团队提出了一种新的基于屈伸运动（Flexure Based；或者叫“屈曲运动”）的新光纤定位机器人设计，并公开在arXiv上（2508.02730）。

这个被叫做“R-FLEX”的光纤定位器设计（图二）也是面向第五阶段宇宙学光谱巡天的6.2mm光纤定位器大小要求所设计的，针对的应该是美国自己主导的Spec-S5项目。LBNL团队也是DESI项目的主要技术负责单位，在光纤定位器领域实力和经验都非常雄厚。和MUST所需要的定位器类似，R-FLEX力争要实现比较大的范围（4mm）内很高的光纤定位精度（<=5微米）；整体定位器的外包络尺寸很小，应该在5.8mm左右；同时，这个定位器还应该能够被大量生产（Spec-S5计划使用南北天两个4米望远镜，每个上面放置1万5000根光纤）；在整个定位范围内，光纤头不应该产生大于30微米的离焦（原文是 out of plane motion；个人理解为离焦，如不准确还请指正）和大于0.3度的倾斜。这么微型和精确的定位器还需要有很高的可靠性，在整个巡天期间，应该可以完成100万次定位运动。可以想象，这是一个很挑战的系统。

预印本文库上提供的技术细节很有限（图三），但可以看出定位器主要的思路是将驱动机构的比较小的旋转运动（上图中粉色箭头）转化为光纤头部的比较大的线性运动（绿色箭头）。在现有设计中，这两个运动的比例是2.4:1。在R-FLEX设计中，这一机构是通过由无刷电机驱动的无背隙滚齿凸轮（Roller Cam）实现的。在传统的双回转定位器中，电机的背隙（Backlash；）一直是设计中必须非常谨慎考虑的一个技术问题，而且几乎肯定会引入一定的定位误差。在R-FLEX设计中，滚齿凸轮和一个精心设计的平行臂Flexure机构（不确定这里的专业中文翻译是什么）连接，实现光纤定位运动。（这里的描述比较含糊，加上本人工程基础薄弱，实际上还没有完全理解，恳请专业人士指教）。结合光纤定位器底部另一个负责整体旋转运动的马达，R-FLEX可以实现覆盖范围内任意位置的定位。某种意义上，这个设计也可以堪称是R-theta双回转设计的一个变种。

LBNL团队选择使用钛材料的线切割（Wire EDM）工艺进行Flexure机构的加工。钛材料能承受更多的弯曲，而且免去了热处理的繁琐。基于已经生产的原型，LBNL团队也利用背照光纤的方法对定位器的指标进行了各种测试，发现表现非常良好，定位精度、产生的离焦、覆盖的范围都符合设计目标，甚至要略好；而且定位器的固有频率（Natural Frequency）也和设计时有限元分析给出的预测很接近。但该文章也指出，在Flexure做缩回运动时可能会出现比较大的定位误差，还有改进空间。

总的来说，这的确是一个挺有趣的新光纤定位器设计。2015年左右，4MOST团队的德国和英国科学家也提出过一种“神似”的设计方案（Saviauk et al. 2015； 图四），也是为了解决4MOST选择的摆杆定位器的离焦和焦比退化问题。这个叫PotsPos的设计也是设计了一个巧妙的机构将马达的旋转运动转化为定位器顶部的水平运动。但从结构上看显然要比R-FLEX复杂的多，对小型化的需求也不友好。也许是这十年里Flexure-based机械设计和相关材料、加工水平的进展才使得R-FLEX这种设计成为可能。