美国宇航局将手术机器人和3D金属打印机送往空间站

对国际空间站最新补给任务的科学调查包括3D金属打印、半导体制造、再入热保护、机器人手术和软骨组织再生方面的进步。这些研究旨在提高空间任务的可持续性，并对地球技术和医疗保健产生重大影响。

3D金属打印机、半导体制造和重返地球大气层的热保护系统的测试是美国宇航局和国际合作伙伴在诺斯罗普·格鲁曼公司第20次商业补给服务任务中向国际空间站发射的科学调查之一。该公司的天鹅座货运飞船计划于1月下旬从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队基地用SpaceX猎鹰9号火箭发射。

金属3D打印机在发射到空间站之前制作的样品。图片来源：欧空局

太空3D打印

ESA（欧洲航天局）的一项调查显示，金属3D打印机在微重力下测试小型金属部件的增材制造或3D打印。

“这项调查为我们提供了对这种打印机在太空中的行为方式的初步了解，”ESA的Rob Postema说。“3D打印机可以创建许多形状，我们计划打印标本，首先要了解太空中的打印与地球上的打印有何不同，其次要了解我们可以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在太空中安全高效地打印金属部件。

研究结果可以提高对金属3D打印在空间中的功能、性能和操作的理解，以及打印部件的质量、强度和特性。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打印来制造零件，以便在未来的长期太空飞行以及月球或火星上维护设备，从而减少打包备件或预测可能需要的每个工具或物体的需要，从而节省发射时的时间和金钱。

金属3D打印技术的进步也可能有利于地球上的潜在应用，包括为汽车、航空和海运工业制造发动机，以及在自然灾害后建造避难所。

根据与欧空局签订的合同，由空中客车防务和航天公司领导的一个小组开展了调查。

用于Redwire的MSTIC调查的供气模块和生产模块。

微重力下的半导体制造

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

“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尤其具有开创性，”开发该技术的Redwire Space的Alex Hayes说。“这代表了太空制造的重大飞跃，并可能预示着一个技术进步的新时代，对太空探索和地面应用都有广泛的影响。

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，从而有可能开发更高效、更高性能的电气设备。

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中生产组件和设备的能力，从而减少对地球补给任务的需求。该技术还可用于收集能量并在地球上提供电力的设备。

“虽然这个最初的试点计划旨在比较在地球和太空中生产的薄膜，但最终目标是扩展到半导体领域内生产各种生产领域，”Hayes说。

艺术家在重返大气层时对其中一个KREPE-2太空舱的渲染。

大气再入建模

在空间站上进行研究的科学家经常将他们的实验带回地球进行进一步的分析和研究。但是，航天器在大气层再入过程中所经历的条件，包括极端高温，可能会对其内容产生意想不到的影响。用于屏蔽航天器及其内容物的热保护系统基于数值模型，这些模型通常缺乏实际飞行的验证，这可能导致所需系统的大小被大大高估，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）是改进热保护系统技术的一部分，它使用三个配备不同隔热材料和各种传感器的胶囊来获取实际再入条件的数据。

“在KREPE-1成功的基础上，我们改进了传感器以收集更多测量值，并改进了通信系统以传输更多数据，”肯塔基大学的首席研究员Alexandre Martin说。“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，还有一种完全由肯塔基大学制造，这也是第一次。

这些太空舱可以用于其他大气再入实验，支持改进地球上应用的隔热，例如保护人员和建筑物免受野火的影响。

手术机器人在发射前在地面测试期间。

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，以评估微重力和空间和地面之间的时间延迟的影响。

该机器人使用两只“手”来抓取和切割模拟的手术组织，并提供用于确定切割位置和方式的张力，根据内布拉斯加大学调查的开发者Virtual Incision Corporation的首席技术官Shane Farritor的说法。

更长的太空任务增加了机组人员可能需要外科手术的可能性，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开发机器人系统来执行这些程序。此外，在2001年至2019年期间，该国农村地区外科医生的可用性下降了近三分之一。小型化和远程控制机器人的能力可能有助于随时随地进行手术。

美国宇航局赞助微型机器人的研究已超过15年。2006 年，遥控机器人在 NASA 的极端环境任务操作 （NEEMO） 9 任务中执行了程序。2014年，一个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。

anus Base纳米基质锚定软骨细胞（红色）并促进软骨组织基质（绿色）的形成。图片来源：康涅狄格大学

在太空中生长软骨组织

Compartment Cartilage Tissue Construct 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，为微重力软骨的形成提供了支架，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行性变，模仿衰老相关骨关节炎的进展，但发生得更快，因此微重力研究可以更快地开发有效疗法。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，并有助于在未来的月球和火星任务中开发保持软骨健康的方法。