在太空，誰(shuí)幫我們做實(shí)驗(yàn)？解密科學(xué)手套箱

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的成功發(fā)射，并與天和核心艙成功對(duì)接，為天宮空間站送來(lái)了許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，以開(kāi)展太空實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。在這些實(shí)驗(yàn)柜中，搭載了一個(gè)可視、可測(cè)、可控、高精度、可更換的科學(xué)手套箱。

科學(xué)手套箱示意圖

這個(gè)手套箱是用來(lái)做什么的？對(duì)太空科學(xué)研究有什么幫助？請(qǐng)任務(wù)組的相關(guān)專(zhuān)家來(lái)為大家講解吧。

不是所有手套都有資格上天

手套箱這個(gè)名字初聽(tīng)起來(lái)有些奇怪，大衣柜是用來(lái)裝衣服的，而手套箱是用來(lái)裝手套的？航天員在空間站中用那么多手套做什么呢？

在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的各個(gè)實(shí)驗(yàn)柜里，都搭載了經(jīng)過(guò)精妙設(shè)計(jì)制造出來(lái)的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。如果在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中用手直接觸碰，不但可能污染實(shí)驗(yàn)儀器，還可能造成實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變動(dòng)，破壞實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。

因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)K必須與空間站里的空氣隔離開(kāi)來(lái)，用來(lái)隔離實(shí)驗(yàn)?zāi)K的裝置，就是我們所說(shuō)的手套箱。手套箱上有四個(gè)特殊的手套，供航天員進(jìn)行手套箱里的操作。箱上的可視窗口和檢測(cè)設(shè)備，則可以讓航天員實(shí)施看到箱中的狀態(tài)變化，為實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支持。

手套箱里確實(shí)有手套不假，但不是我們平時(shí)所接觸的普通手套。這些天上的手套有什么特殊之處？

首先，航天中所有材料對(duì)于阻燃性有很高的要求，因此制造手套的也必須是非常不易燃燒的材質(zhì)。我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)到的手套，無(wú)論是棉麻還是化纖，都很容易燃燒，這一條就“海選”掉了絕大部分候選手套。此外，在常規(guī)的默認(rèn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的情況下，航天員是不能夠用手直接進(jìn)行操作的，這對(duì)手套的觸感要求很高，操作的靈活性也是要考慮的因素，因此不易燃燒的金屬材質(zhì)也就基本沒(méi)戲了。最后，無(wú)論金屬和非金屬材料，要有很強(qiáng)的抑制霉菌生長(zhǎng)的能力，否則將會(huì)污染手套箱導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此，想要開(kāi)發(fā)出一種完全符合上述三個(gè)條件的手套材料，需要投入大量的心血和時(shí)間。

科學(xué)手套箱示意圖

除此之外，手套箱還設(shè)計(jì)了特殊的快速更換手套功能，使得航天員在更換手套的同時(shí)，還能夠維持手套箱內(nèi)部與外部的隔離，從而防止了雙向污染。

手套箱里的機(jī)械臂：手抖星人的福音

手套箱中還配備了靈巧的機(jī)械臂，可以進(jìn)行在軌高精度科學(xué)操作。它面向于我們的空間生物、生命科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)等方面的空間交叉式的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)密閉、潔凈的操作空間。這一機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)0.5毫米的操作精度，真不愧是手抖星人的福音?。∮辛诉@樣的機(jī)械臂，航天員就能更加精確地完成實(shí)驗(yàn)操作了。

手套箱中的機(jī)械臂示意圖

上面這個(gè)圖還不是機(jī)械臂的完全體。在手套箱中還配備有顯微操作系統(tǒng)，可以完成細(xì)胞核的提取和注射這樣非常精細(xì)的操作。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)5微米的操作精度，也就是一根頭發(fā)絲直徑的十分之一的長(zhǎng)度。

機(jī)械臂就是航天員手臂的延伸，在確保航天員不接觸實(shí)驗(yàn)裝置的前提下，代替航天員的雙手，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。它可以在箱體內(nèi)進(jìn)行批量式搬運(yùn)，例如取放培養(yǎng)皿；進(jìn)行在軌細(xì)胞相關(guān)研究，例如進(jìn)行顯微注射等；還可以發(fā)出紫外線，對(duì)手套箱內(nèi)進(jìn)行滅菌，進(jìn)行徹底完全自動(dòng)清潔。

“手”通天，“眼”也要通天

手套箱上還有大量的傳感器，實(shí)時(shí)記錄著手套箱里各處的電壓信號(hào)、電流信號(hào)，以及溫度、濕度、光照、風(fēng)力等信息，反映著手套箱或?qū)嶒?yàn)裝置的工作狀態(tài)。

傳感器示意圖

解讀這些信息可能超出了航天員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)范圍，也會(huì)占用他們的工作時(shí)間。因此，手套箱上的所有傳感器信息都可以實(shí)時(shí)地傳輸?shù)降孛鎸?shí)驗(yàn)室，由地面科學(xué)家負(fù)責(zé)解讀和調(diào)整，并且可以從地面發(fā)出指令，直接控制手套箱的參數(shù)。

也就是說(shuō)，除了航天員，地面上的科學(xué)家也能夠?qū)崟r(shí)地“看”到手套箱，通過(guò)各種傳感器信號(hào)來(lái)了解其工作狀態(tài)，足不出戶(hù)，就可以在空間站里開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。而手套箱上的多種調(diào)節(jié)功能也可以充分滿(mǎn)足科學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的不同參數(shù)，溫度、濕度、光照等都可以精細(xì)調(diào)整，讓手套箱真正成為開(kāi)放、自由的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

您辛苦了！

科學(xué)手套箱是航天員和科學(xué)家的“手”和“眼”，幫助他們完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)，維護(hù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K不受污染，更能夠進(jìn)行精度非常高的細(xì)微操作。為了完成手套箱的設(shè)計(jì)與制作，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)從2015年起就開(kāi)始了漫長(zhǎng)而艱苦的攻關(guān)，節(jié)假日的加班已經(jīng)是團(tuán)隊(duì)常態(tài)，最多一次甚至連續(xù)工作50多個(gè)小時(shí)。但是沒(méi)有人因?yàn)槔щy而退縮，因?yàn)榇蠹倚睦锒枷胫骸耙呀?jīng)有這么多人為此付出了這么多艱辛，不能讓它出問(wèn)題，砸在自己手里！”

航天科研人員工作圖片

也許，這就是航天精神最樸實(shí)的縮影吧！在這個(gè)系列的結(jié)尾，讓我們?cè)诟袊@我國(guó)科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的同時(shí)，也向那些默默戰(zhàn)斗在空天報(bào)國(guó)第一線的科學(xué)工作人員致以最高的敬意吧。

本文作者牟福朋，根據(jù)對(duì)中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所劉曉源老師的采訪撰寫(xiě)而成

文章首發(fā)于科學(xué)大院