麻省理工學(xué)院在空間站開(kāi)展液體擠出3D打印實(shí)驗(yàn)，打造未來(lái)太空科幻技術(shù)

2022年11月29日，南極熊獲悉，SpaceX于上周六成功發(fā)射了其獵鷹9號(hào)火箭，為國(guó)際空間站（ISS）的工作人員運(yùn)送新的科學(xué)研究物資和設(shè)備。更重要的是，與Artemis 1號(hào)發(fā)射任務(wù)類似，此次搭乘SpaceX第26次商業(yè)再補(bǔ)給任務(wù)（CRS）同樣搭載了用于太空3D打印研究的項(xiàng)目物資。據(jù)悉，這是一個(gè)來(lái)自麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目，它有助于推進(jìn)太空中的大規(guī)模3D打印建造。

△SpaceX公司的獵鷹9號(hào)火箭，搭載有Dragon飛船，從NASA肯尼迪航天中心飛向天空。圖片由美國(guó)宇航局提供。

“黑匣子2”是一個(gè)由空間服務(wù)提供商N(yùn)anoracks開(kāi)發(fā)的遙控商業(yè)空間站平臺(tái)，允許同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，被稱為 "擠壓 "的增材制造實(shí)驗(yàn)研究與麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的其他幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)一起進(jìn)入太空，這些實(shí)驗(yàn)由國(guó)際空間站國(guó)家實(shí)驗(yàn)室贊助。

△麻省理工學(xué)院太空探索計(jì)劃中“擠壓有效載荷”項(xiàng)目裝置的內(nèi)部視圖，顯示在樣品裝載前的飛行準(zhǔn)備。這項(xiàng)技術(shù)演示測(cè)試了在微重力條件下快速擠壓和紫外線固化液體樹(shù)脂形狀的新方法。圖片由麻省理工學(xué)院太空探索計(jì)劃提供。

通過(guò)新的增材制造實(shí)驗(yàn)，研究人員將演示在微重力環(huán)境下將液體樹(shù)脂擠壓成定制的形狀，以創(chuàng)造出在地球上無(wú)法制造的幾何形狀。有效載荷結(jié)構(gòu)本身由三個(gè)泵組成，將光固化樹(shù)脂注入預(yù)先制作好的柔性形狀中，同時(shí)由一臺(tái)攝像機(jī)捕捉這一過(guò)程的畫(huà)面。

首席研究員和麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室空間探索計(jì)劃主任Ariel Ekblaw在評(píng)論這個(gè)項(xiàng)目時(shí)說(shuō)："這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用微重力環(huán)境來(lái)擠壓普通和復(fù)雜的分支形狀。我們的方法減少了生產(chǎn)日常任務(wù)所需的關(guān)鍵部件的時(shí)間，它可能支持未來(lái)的大型結(jié)構(gòu)如桁架和天線的太空建造。擠壓調(diào)查建立在我們的增材制造和空間自組裝工作流的基礎(chǔ)上。"

△在麻省理工學(xué)院的擠壓實(shí)驗(yàn)中，硅樹(shù)脂表皮包含并塑造了液體擠壓過(guò)程。圖片來(lái)源：快速液體打印/麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室。

作為麻省理工學(xué)院3D打印的熱心導(dǎo)師，Ekblaw解釋說(shuō)，在微重力環(huán)境下，通常會(huì)下垂的自由空間的擠壓可以不受阻礙地進(jìn)行，從而可以創(chuàng)造出在重力環(huán)境下無(wú)法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。在地球上，重力使大型物體變形，例如大規(guī)模建筑中使用的梁。傳統(tǒng)的增材制造工藝，特別是那些使用液體樹(shù)脂作為原料的工藝，受到了重力的限制。相反，太空的失重條件使得制造這些更長(zhǎng)、更薄的結(jié)構(gòu)時(shí)不會(huì)有這種變形。

如果成功的話，擠壓項(xiàng)目可以幫助為更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)的增材制造奠定基礎(chǔ)，包括空間站、太陽(yáng)能陣列、望遠(yuǎn)鏡和工業(yè)設(shè)備，以支持未來(lái)的空間探索。

△麻省理工學(xué)院在軌期間所開(kāi)展擠壓實(shí)驗(yàn)中的包含和塑造液體擠壓過(guò)程。圖片來(lái)源：快速液體打印/麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室。

此外，考慮到整體發(fā)射大型結(jié)構(gòu)是不可行的，因?yàn)樗鼈儽仨氃诘厍蛏虾桶l(fā)射過(guò)程中承受比在太空中經(jīng)歷的更大的力量，這些作品可以在軌道上使用擠壓技術(shù)創(chuàng)建，并運(yùn)回地球使用。

在被發(fā)射到國(guó)際空間站之前，由Ekblaw領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在2021年5月的拋物線飛行中測(cè)試了擠出的有效載荷。登上零重力測(cè)試飛機(jī)后，該團(tuán)隊(duì)成功地測(cè)試了這種在微重力條件下快速擠壓和紫外線固化液體樹(shù)脂形狀的新方法。

擠壓硬構(gòu)件的早期版本使用了兩種原料，一種是小號(hào)軟絲和一種光固化樹(shù)脂。它通過(guò)一個(gè)噴嘴組件擠壓這兩種材料，噴嘴組件同時(shí)將金屬絲彎曲成三維形狀，并在其上涂上一層均勻的樹(shù)脂。根據(jù)最初的項(xiàng)目計(jì)劃，在噴嘴后放置了一排紫外線LED發(fā)射器以固化樹(shù)脂，使其硬化并與電線粘合。一旦整個(gè)形狀被創(chuàng)造出來(lái)，一個(gè)切割機(jī)器就在噴嘴的出口處劈開(kāi)涂抹的電線，以便創(chuàng)造另一個(gè)形狀。

△團(tuán)隊(duì)成員（從右到左）王喆瑋、Aiden Padilla、Sean Auffinger、Martin Nisser和Ariel Ekblaw與安裝在Zero-G飛機(jī)上的實(shí)驗(yàn)設(shè)備合影。圖片來(lái)源：Steve Boxall/ZERO-G

尖端的3D打印實(shí)驗(yàn)，比如這個(gè)來(lái)自麻省理工學(xué)院研究人員的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常被送往國(guó)際空間站進(jìn)行測(cè)試。在上個(gè)月，另一艘由諾斯羅普-格魯曼公司運(yùn)營(yíng)補(bǔ)給飛船將Techshot公司備受關(guān)注的生物打印平臺(tái)（更多地被稱為BioFabrication Facility）送回微重力實(shí)驗(yàn)室，該平臺(tái)具有進(jìn)一步開(kāi)展人體組織打印研究的新能力。而在去年2月，康奈爾大學(xué)測(cè)試了在空間站上實(shí)現(xiàn)3D打印的軟件。在地面上，航天局也在支持無(wú)數(shù)的增材制造和生物打印項(xiàng)目，這些項(xiàng)目將為不斷增長(zhǎng)的太空生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)，如 "復(fù)制者 "3D打印機(jī)，其目的是在太空中生產(chǎn)軟骨。

麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的太空探索計(jì)劃也支持一系列橫跨科學(xué)、工程、藝術(shù)和設(shè)計(jì)的微重力和月球研究項(xiàng)目，它的任務(wù)是 "建立出我們科幻太空未來(lái)的技術(shù)，同時(shí)盡可能地保持我們的創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)的開(kāi)放性和可及性"。這種使空間探索民主化的想法將允許新的學(xué)科和技術(shù)（如AM）在空間提供更多的體驗(yàn)。

通過(guò)這一倡議，麻省理工學(xué)院的研究人員正在創(chuàng)造和部署空間創(chuàng)新，設(shè)想一個(gè)大膽和文化豐富的"新太空時(shí)代"，這其中包括：星狀細(xì)菌可穿戴設(shè)備、開(kāi)放式立方體衛(wèi)星、用于太空航行的樂(lè)器，漂浮的太空棲息地和先進(jìn)的零重力3D打印技術(shù)。