麻省理工學院在空間站開展液體擠出3D打印實驗，打造未來太空科幻技術(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號火箭，為國際空間站（ISS）的工作人員運送新的科學研究物資和設備。更重要的是，與Artemis 1號發(fā)射任務類似，此次搭乘SpaceX第26次商業(yè)再補給任務（CRS）同樣搭載了用于太空3D打印研究的項目物資。據(jù)悉，這是一個來自麻省理工學院媒體實驗室的項目，它有助于推進太空中的大規(guī)模3D打印建造。

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

“黑匣子2”是一個由空間服務提供商Nanoracks開發(fā)的遙控商業(yè)空間站平臺，允許同時進行多項實驗，被稱為 "擠壓 "的增材制造實驗研究與麻省理工學院媒體實驗室的其他幾項實驗一起進入太空，這些實驗由國際空間站國家實驗室贊助。

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

通過新的增材制造實驗，研究人員將演示在微重力環(huán)境下將液體樹脂擠壓成定制的形狀，以創(chuàng)造出在地球上無法制造的幾何形狀。有效載荷結(jié)構(gòu)本身由三個泵組成，將光固化樹脂注入預先制作好的柔性形狀中，同時由一臺攝像機捕捉這一過程的畫面。

首席研究員和麻省理工學院媒體實驗室空間探索計劃主任Ariel Ekblaw在評論這個項目時說："這個實驗利用微重力環(huán)境來擠壓普通和復雜的分支形狀。我們的方法減少了生產(chǎn)日常任務所需的關(guān)鍵部件的時間，它可能支持未來的大型結(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上。"

△在麻省理工學院的擠壓實驗中，硅樹脂表皮包含并塑造了液體擠壓過程。圖片來源：快速液體打印/麻省理工學院媒體實驗室。

作為麻省理工學院3D打印的熱心導師，Ekblaw解釋說，在微重力環(huán)境下，通常會下垂的自由空間的擠壓可以不受阻礙地進行，從而可以創(chuàng)造出在重力環(huán)境下無法生產(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、更薄的結(jié)構(gòu)時不會有這種變形。

如果成功的話，擠壓項目可以幫助為更復雜的空間結(jié)構(gòu)的增材制造奠定基礎，包括空間站、太陽能陣列、望遠鏡和工業(yè)設備，以支持未來的空間探索。

△麻省理工學院在軌期間所開展擠壓實驗中的包含和塑造液體擠壓過程。圖片來源：快速液體打印/麻省理工學院媒體實驗室。

此外，考慮到整體發(fā)射大型結(jié)構(gòu)是不可行的，因為它們必須在地球上和發(fā)射過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，并運回地球使用。

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

擠壓硬構(gòu)件的早期版本使用了兩種原料，一種是小號軟絲和一種光固化樹脂。它通過一個噴嘴組件擠壓這兩種材料，噴嘴組件同時將金屬絲彎曲成三維形狀，并在其上涂上一層均勻的樹脂。根據(jù)最初的項目計劃，在噴嘴后放置了一排紫外線LED發(fā)射器以固化樹脂，使其硬化并與電線粘合。一旦整個形狀被創(chuàng)造出來，一個切割機器就在噴嘴的出口處劈開涂抹的電線，以便創(chuàng)造另一個形狀。

△團隊成員（從右到左）王喆瑋、Aiden Padilla、Sean Auffinger、Martin Nisser和Ariel Ekblaw與安裝在Zero-G飛機上的實驗設備合影。圖片來源：Steve Boxall/ZERO-G

尖端的3D打印實驗，比如這個來自麻省理工學院研究人員的實驗，經(jīng)常被送往國際空間站進行測試。在上個月，另一艘由諾斯羅普-格魯曼公司運營補給飛船將Techshot公司備受關(guān)注的生物打印平臺（更多地被稱為BioFabrication Facility）送回微重力實驗室，該平臺具有進一步開展人體組織打印研究的新能力。而在去年2月，康奈爾大學測試了在空間站上實現(xiàn)3D打印的軟件。在地面上，航天局也在支持無數(shù)的增材制造和生物打印項目，這些項目將為不斷增長的太空生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻，如 "復制者 "3D打印機，其目的是在太空中生產(chǎn)軟骨。

麻省理工學院媒體實驗室的太空探索計劃也支持一系列橫跨科學、工程、藝術(shù)和設計的微重力和月球研究項目，它的任務是 "建立出我們科幻太空未來的技術(shù)，同時盡可能地保持我們的創(chuàng)新和團隊的開放性和可及性"。這種使空間探索民主化的想法將允許新的學科和技術(shù)（如AM）在空間提供更多的體驗。

通過這一倡議，麻省理工學院的研究人員正在創(chuàng)造和部署空間創(chuàng)新，設想一個大膽和文化豐富的"新太空時代"，這其中包括：星狀細菌可穿戴設備、開放式立方體衛(wèi)星、用于太空航行的樂器，漂浮的太空棲息地和先進的零重力3D打印技術(shù)。