兩個(gè)尖端3D打印項(xiàng)目將于2024年1月在國(guó)際空間站開展

2023年12月，國(guó)際空間站(ISS) 將在其即將執(zhí)行的補(bǔ)給任務(wù)中再次接收 3D 打印實(shí)驗(yàn)，這表明該技術(shù)在太空探索中的作用日益增強(qiáng)。Northrop Grumman公司為NASA執(zhí)行的第 20 次商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)任務(wù)將于 2024 年 1 月 29 日之前搭乘獵鷹 9 號(hào)火箭從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角太空部隊(duì)站發(fā)射，將交付兩個(gè) 3D 打印項(xiàng)目：3D 軟骨細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和歐洲航天局(ESA) 的金屬 3D 打印機(jī)，這些項(xiàng)目凸顯了3D打印技術(shù)在微重力中的創(chuàng)新應(yīng)用及其徹底改變空間科學(xué)和探索的潛力。



ESA 的 3D 打印任務(wù)
此次任務(wù)中一個(gè)備受期待的項(xiàng)目是 ESA 的金屬 3D 打印機(jī)，代表著太空自主半導(dǎo)體制造的重要一步。此外，這臺(tái)打印機(jī)還將研究打印的金屬形狀在微重力下的表現(xiàn)與地球上生產(chǎn)金屬的異同。從這次實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)論可能對(duì)于開發(fā)太空任務(wù)的新制造技術(shù)至關(guān)重要，包括月球或火星上未來潛在的棲息地。

ESA 的金屬 3D 打印機(jī)項(xiàng)目與由 ESA 宇航員 Andreas Mogensen (摩根森)領(lǐng)導(dǎo)的 Huginn 任務(wù)密切相關(guān)，他還將監(jiān)督其他歐洲科學(xué)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行。該任務(wù)以北歐神話中象征思想的烏鴉 Huginn 命名，反映了摩根森從國(guó)際空間站收集和傳播科學(xué)知識(shí)的目標(biāo)。


△SpaceX Crew-7，Huginn 標(biāo)志

摩根森將擔(dān)任SpaceX Crew Dragon 的飛行員，成為第一位擔(dān)任此職務(wù)的歐洲宇航員。在國(guó)際空間站停留期間，摩根森將監(jiān)督 20 多項(xiàng)歐洲科學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括監(jiān)測(cè)金屬物體的 3D 打印。金屬3D打印機(jī)在獨(dú)特的微重力條件下的成功運(yùn)行和結(jié)果對(duì)于推進(jìn)未來太空探索和居住的制造技術(shù)至關(guān)重要。該技術(shù)演示器可以徹底改變我們?cè)谔罩兄圃旌途S修工具和零件的方式。

太空新篇章
這臺(tái)打印機(jī)將比較太空中膨脹和收縮的金屬形狀與地球上的金屬形狀。金屬 3D 項(xiàng)目是由 ESA 領(lǐng)導(dǎo)、多個(gè)工業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴共同努力的成果。空中客車公司（EPA：AIR）、意大利航空航天公司Highftech Engineering、法國(guó)金屬 3D 打印領(lǐng)導(dǎo)者AddUp和克蘭菲爾德大學(xué)是該項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)者。



△用于國(guó)際空間站的金屬 3D 打印機(jī)

●圖盧茲的空客防務(wù)和航天團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)管理該項(xiàng)目，負(fù)責(zé)集成打印機(jī)的組件和電源，并確保其與太空環(huán)境的兼容性。

●克蘭菲爾德大學(xué)負(fù)責(zé)能源和材料輸送機(jī)制，其中包括激光和不銹鋼絲。

●Highftech Engineering 承擔(dān)了制造機(jī)器外殼并集成其流體管理系統(tǒng)的任務(wù)。

●AddUp（法孚和米其林的合資企業(yè)）在創(chuàng)建打印機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)制方面發(fā)揮了重要作用，包括控制打印機(jī)的 PLC（可編程邏輯控制器）以及與地面控制通信的接口。

盡管計(jì)劃于 2024 年 1 月向國(guó)際空間站派遣打印機(jī)，但其未來的計(jì)劃已經(jīng)在進(jìn)行中。

3D 軟骨細(xì)胞培養(yǎng)
第二個(gè)值得注意的項(xiàng)目是 3D 軟骨細(xì)胞培養(yǎng)，名為隔室軟骨組織構(gòu)建體。這是一項(xiàng)探索如何在微重力下保持健康軟骨的生物實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)研究對(duì)于執(zhí)行長(zhǎng)期任務(wù)的宇航員至關(guān)重要，因?yàn)槲⒅亓?huì)導(dǎo)致軟骨退化。這項(xiàng)研究的影響是深遠(yuǎn)的，會(huì)帶來治療太空和地球上軟骨損傷的新方法。這個(gè)開創(chuàng)性的項(xiàng)目是在康涅狄格大學(xué)(UConn) 生物醫(yī)學(xué)工程教授陳宇鵬 (Yupeng Chen)的指導(dǎo)下開發(fā)的，他在推進(jìn)治療應(yīng)用的組織研究方面發(fā)揮了重要作用。

該項(xiàng)目使用創(chuàng)新技術(shù)來生長(zhǎng)軟骨，即關(guān)節(jié)中的柔性組織。它采用特殊的多室組織工程結(jié)構(gòu)（MTEC），就像一個(gè)用于生長(zhǎng)軟骨的迷你實(shí)驗(yàn)室。MTEC 系統(tǒng)旨在創(chuàng)造一個(gè)與軟骨生長(zhǎng)和保持健康所需的自然條件非常相似的環(huán)境。Chen的團(tuán)隊(duì)與美國(guó)宇航局簽訂合同，旨在利用國(guó)際空間站的微重力環(huán)境來制造生物材料，從而徹底改變地球上關(guān)節(jié)炎、癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等疾病的治療方法。

太空醫(yī)學(xué)
MTEC 的核心有兩個(gè)主要功能，首先是為軟骨細(xì)胞的茁壯成長(zhǎng)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)，這個(gè)基礎(chǔ)至關(guān)重要，因?yàn)樗７铝巳梭w的自然環(huán)境，使細(xì)胞能夠正常生長(zhǎng)。第二個(gè)功能涉及將必需的 RNA（核糖核酸）分子遞送至軟骨細(xì)胞，這些RNA分子在維持軟骨健康方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們?cè)谔罩兄陵P(guān)重要，因?yàn)樘罩袥]有重力，這些細(xì)胞的平均生長(zhǎng)和健康受到挑戰(zhàn)。由Chen和他的團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)將專注于制造新型生物材料，如 Janus 基礎(chǔ)納米材料 (JBN)，它們對(duì)于軟骨等組織的再生至關(guān)重要。

Chen 說：“該項(xiàng)目將為一系列用于組織再生的受 DNA 啟發(fā)的 Janus 基礎(chǔ)納米材料的太空制造策略制定路線圖，在制造過程中利用微重力的優(yōu)勢(shì)有可能提供更有序的 JBN 結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)完整性和治療效果?！?br />

△Yupeng Chen和他的團(tuán)隊(duì)成員

展望未來，陳在康涅狄格大學(xué)的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將他們有前途的研究擴(kuò)展到國(guó)際空間站之外，旨在實(shí)現(xiàn)更多突破性的發(fā)展。他們與航空航天公司Axiom Space合作，探索太空中先進(jìn)的生物制造工藝。這種伙伴關(guān)系可能會(huì)帶來更復(fù)雜的微重力生物材料生產(chǎn)技術(shù)。Axiom 在航天運(yùn)營(yíng)方面的專業(yè)知識(shí)也可能為長(zhǎng)期任務(wù)打開大門，在Axiom 的商業(yè)空間站上，該空間站的目標(biāo)是在 2025 年底發(fā)射第一個(gè)模塊。這些未來的努力旨在開拓太空制造的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的商業(yè)化，有可能徹底改變地球上的醫(yī)療方法。

為什么這些項(xiàng)目很重要?
微重力下的 3D 打印具有許多優(yōu)勢(shì)，包括按需生產(chǎn)必要的工具和組件，以及減少對(duì)來自地球的大量貨物運(yùn)輸?shù)男枨?。多個(gè) 3D 打印實(shí)驗(yàn)已被發(fā)送到國(guó)際空間站，例如Redwire的生物制造設(shè)施(BFF)或零重力 3D 打印實(shí)驗(yàn)，這是第一臺(tái)專為微重力設(shè)計(jì)的 3D 打印機(jī)，于 2014 年被帶到國(guó)際空間站。

隨著人類尋求前往月球和火星的深空任務(wù)，在太空中制造和維護(hù)重要部件和生物材料的能力將至關(guān)重要。即將到來的補(bǔ)給任務(wù)不僅僅意味著科學(xué)實(shí)驗(yàn)；這是邁向太空旅行更加安全、太空醫(yī)療更加先進(jìn)、太空制造可能成為現(xiàn)實(shí)的未來的一步。這些實(shí)驗(yàn)還凸顯了國(guó)際空間站作為開拓性研究中心的作用，為人類登月及開展更遠(yuǎn)地區(qū)的任務(wù)鋪平了道路。