太空中3D打印、机器人手术！NASA最新的太空任务逐步实现科幻小说情节

3D 金属打印机、半导体制造和重返地球大气层热保护系统的测试，是 NASA 和国际合作伙伴在诺斯罗普·格鲁曼(Northrop Grumman) 公司第 20 次商业补给服务任务中，向国际空间站发射飞船的科学调查之一。该公司的天鹅座货运飞船计划于 1 月底由 SpaceX 猎鹰 9 号火箭，从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队站发射升空。

这架飞船满载着黑科技，让我们来看看有哪些科幻小说中才有的研究内容吧：

太空 3D 打印

ESA（欧洲航天局）的一项调查显示，金属 3D 打印机测试了微重力下小型金属零件的增材制造或 3D 打印。

欧空局的罗布·波斯特玛 (Rob Postema) 表示：“这项调查让我们初步了解了这种打印机在太空中的表现。” “3D 打印机可以创建多种形状，我们计划打印样本，首先了解太空打印与地球打印有何不同，其次看看我们可以使用这项技术打印哪些类型的形状。此外，这项活动还有助于展示机组人员如何安全高效地在太空中打印金属零件。”

结果可以提高对太空金属 3D 打印的功能、性能和操作以及打印零件的质量、强度和特性的理解。补给对未来的长期人类任务提出了挑战。机组人员可以使用 3D 打印来创建用于未来长期太空飞行以及月球或火星上的设备维护的零件，从而减少包装备件或预测可能需要的每种工具或物体的需要，从而节省时间和金钱发射。

金属 3D 打印技术的进步也可能有利于地球上的潜在应用，包括制造汽车、航空和海运业的发动机以及在自然灾害后建造避难所。

根据与欧空局签订的合同，由空中客车防务公司和太空公司领导的一个团队开展了这项调查。

一只戴着手套的手握住一个圆形金属底座，上面有六个 3D 打印的金属柱，其中三个是直的，几英寸长，另外三个稍长一些，底部和顶部较宽，中间较窄，就像小杠铃一样。 — 金属 3D 打印机在发射到空间站之前生产的样品。(ESA)

微重力下的半导体制造

半导体和薄膜集成涂层的制造 ( MSTIC ) 研究微重力如何影响具有广泛用途的薄膜。

开发该技术的 Redwire Space 的 Alex Hayes 表示：“生产具有卓越表面结构的薄膜的潜力以及从能量收集到先进传感器技术的广泛应用的潜力尤其具有突破性。” “这代表了太空制造的重大飞跃，可能预示着技术进步的新时代，对太空探索和地面应用产生广泛影响。”

这项技术可以使自主制造取代目前用于制造各种半导体的许多机器和工艺，从而有可能导致更高效、性能更高的电气设备的开发。

在微重力下制造半导体器件还可以提高其质量并减少所需的材料、设备和劳动力。在未来的长期任务中，这项技术可以提供在太空生产组件和设备的能力，从而减少从地球进行补给任务的需求。该技术还适用于在地球上收集能量和提供电力的设备。

海耶斯说：“虽然这个最初的试点计划旨在比较地球上和太空中生产的薄膜，但最终目标是扩展到半导体领域内的各种生产领域。”

一个比微波炉大的坚固的银色盒子，底部有一个大面板，标有“真空排气口”，右上角有两个面板，标有“供气模块”，左上角有一个带有多个连接器的插图。面板有黑色手柄。 — 用于 Redwire 的 MSTIC 调查的气体供应模块和生产模块。(Redwire)

重返大气层建模

在空间站进行研究的科学家经常将他们的实验返回地球进行进一步的分析和研究。但航天器在重返大气层期间所经历的条件，包括极端高温，可能会对其中的内容产生意想不到的影响。用于保护航天器及其内容物的热防护系统基于数值模型，而这些模型通常缺乏实际飞行的验证，这可能导致对所需系统尺寸的严重高估，并占用宝贵的空间和质量。肯塔基州再入探测器实验 2 ( KREPE-2 ) 是改进热防护系统技术的一部分，它使用三个配备不同隔热材料的太空舱和各种传感器来获取实际再入条件的数据。

肯塔基大学首席研究员 Alexandre Martin 表示：“在 KREPE-1 成功的基础上，我们改进了传感器以收集更多测量结果，并改进了通信系统以传输更多数据。” “我们有机会测试美国宇航局提供的几种以前从未测试过的隔热罩，还有一个完全由肯塔基大学制造的，这也是第一次。”

这些太空舱可用于其他重返大气层实验，支持改进地球应用的隔热性能，例如保护人员和建筑物免受野火的侵害。

橙色的火焰围绕着一个向地球坠落的顶部形状的太空舱，火焰从太空舱后面涌入黑暗的太空。下面可以看到云层覆盖的地球。 — 艺术家对重返大气层期间 KREPE-2 太空舱之一的渲染。(A. Martin, P. Rodgers, L. Young, J. Adams, University of Kentucky)

远程机器人手术

机器人手术技术演示测试了可以从地球远程控制以执行外科手术的小型机器人的性能。研究人员计划比较微重力和地球上的程序，以评估微重力以及空间和地面之间的时间延迟的影响。

内布拉斯加大学研究开发者 Virtual Incision 公司首席技术官 Shane Farritor 表示，该机器人使用两只“手”来抓住和切割模拟手术组织，并提供张力，用于确定切割位置和方式。。

较长的太空任务增加了机组人员需要进行外科手术的可能性，无论是简单的缝合还是紧急阑尾切除术。这项调查的结果可以支持机器人系统的开发来执行这些程序。此外，2001 年至 2019 年间，该国农村地区的外科医生数量下降了近三分之一。机器人的小型化和远程控制能力可能有助于随时随地进行手术。

NASA 资助微型机器人研究已超过 15 年。2006 年，远程操作机器人在 NASA 水下极端环境任务操作 (NEEMO) 9 任务中执行了程序。2014年，微型手术机器人在零重力抛物面飞机上执行模拟手术任务。

手术机器人在发射前正在进行地面测试。(Virtual Incision Corporation)

在太空中生长软骨组织

隔间软骨组织构建体展示了两种技术：Janus Base Nano-Matrix (JBNm) 和 Janus Base Nanopiece (JBNp)。JBNm是一种可注射材料，可为微重力下软骨的形成提供支架，可作为研究软骨疾病的模型。JBNp 提供基于 RNA 的疗法来对抗导致软骨退化的疾病。

软骨的自我修复能力有限，骨关节炎是地球上老年患者残疾的主要原因。微重力可以引发软骨退化，这种退化类似于与衰老相关的骨关节炎的进展，但发生得更快，因此微重力的研究可能会导致有效疗法的更快开发。这项研究的结果可以促进软骨再生，作为地球上关节损伤和疾病的治疗方法，并有助于开发在未来的月球和火星任务中保持软骨健康的方法。