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南粤风采36选7不看不知道:NASA 高冷尖端技术有哪

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  ▲为宇航员和飞行员研制的液冷服,如今帮助军事人员解决沉重防护装备内部过热的问题。

  美国航空航天局 ( NASA ) 拥有很多高冷的尖端技术,并不断通过其技术转移计划,挖掘出在航空航天之外的商用价值,培育了大批新兴企业。这对我国推进技术成果转化,很有借鉴意义。

  本文根据 NASA 的 衍生产品 2017 报告,介绍这些太空技术在民生领域的应用。

  为宇航员设计的衣物、诊断仪和传感器,现今演变成保护生命、提高医疗诊断水平的新产品。

  神经外科对手术器械的要求,是尽可能精确、可靠。双极钳,作为脑外科重要的手术器械,在对病灶进行切割和烧灼时,电流产生的热量也很容易对健康的脑组织造成损伤。

  热导管使用高温蒸汽快速高效地传输热量,工作原理类似于锅炉和散热器系统。NASA 对热导管的研究始于早期的太空飞行。当卫星不旋转时,向阳面和背阳面的极端温差可能会导致电子零件失灵,需要将热量从高温面传导至寒冷面。

  由 NASA 资助的一批 小企业创新研究计划 中,有一个项目就是对热导管进行技术改进,使其可以用于医疗,包括用于脑外科手术的双极钳。

  用微型热导管帮助散热的双极钳,可将热量快速传导并安全驱散,不但能提高手术精度,还可缩短手术时间、改善患者预后。

  最近,NASA 又在尝试将热导管用于冷却燃料电池,来解决氢氧反应物发电过程中的散热问题。

  ▲改进后的 NASA 热导管散热技术应用于脑外科手术的双极钳,可将热量快速传导并安全驱散。

  上世纪九十年代初,喷气推进实验室 ( JPL ) 工程师埃里克福萨姆开始着手开发一款基于互补金属氧化物半导体 ( CMOS ) 技术的高效图像传感器。CMOS 由微电子晶体管组成,在感光单元内部由预处理电路直接将传感产生的光电信号放大,转化为电信号,他称之为 有源像素传感器 。

  CMOS 技术源于 NASA 捕捉各种图像的需求,如今,JPL 与多家企业签署了技术合作协议,将这款传感器应用于牙科 X 光成像设备。

  基于 CMOS 图像传感器,牙科 X 光设备可以做得更小、更高效、更节能,不仅可降低设备对电噪音的敏感性,还能提高诊断的准确率。

  上世纪六七十年代,比尔艾尔金斯曾与 NASA 的艾姆斯研究中心和美国空军的工程师们一起,为宇航员研制过一套液体冷却服,包括一个头盔冷却系统。

  后来,多家企业基于这种冷却技术开发了许多新产品,主要用于防止心脏病发作或中风后的脑损伤、提高运动表现、治疗脑震荡,以及帮助解决橄榄球运动员佩戴的头盔、工人和拆弹人员所穿的沉重防护服内部过热问题。

  NASA 的宇航员需进行健康筛查,尤其是在太空。太空环境似乎会抑制人体的免疫系统,一些细菌在微重力环境下的亲和力和毒性会变得更强。但医生却远在地球。若要将地面实验室中的那种笨重设备发射升空,耗资巨大。而未来的火星任务中,一次紧急返回可能耗时数月。

  为此,NASA 制定了 探索医疗能力要素 计划,由艾姆斯研究中心实施开发一个简单轻巧的快速诊断工具,以确保在几分钟内,对宇航员的健康问题作出准确的早期诊断。

  2011 年,艾姆斯研究中心利用 NASA 的 小企业创新研究计划 项目与企业合作,利用智能手机的相机和处理能力,将其与传感器平台整合在一起,快速读取体液紫外光检测的结果。这一诊断过程与家用早孕检测相同———将体液与发光分子 ( 经紫外光照射会发光 ) 和某些生物标志物 ( 能指示生物条件,如特定疾病存在的信号 ) 结合在一起。

  现在,基于智能手机的诊断硬件已经面世,具备速度快、成本低、便携、易用等多种优势,可用于偏远地区的医疗工作,并能将诊断结果和地理位置发送至中央数据库,绘制疫情的传播地图。

  微重力环境下,骨头在数月后会发生什么变化?研究者们希望回答这些问题,并获得新的医疗见解。为此,NASA 需要一个适合在国际空间站上操作,且在使用过程中不会让宇航员遭受有害辐射的骨密度扫描仪。

  NASA 和空间科学促进中心及 Techshot 公司合作,设计开发了一种商用骨密度仪 Bone D,主要用于研究微重力环境对小鼠的影响,并在国际空间站为客户提供商业服务。

  为了对宇航服内的热量进行管理,NASA 曾在上世纪八十年代,对相变材料进行过研究。像冰块一样,这些材料在从固态转化为液态的相变过程中不断吸收热量;遇到更冷的温度时,又释放热量,重新冻结为固态。关键在于找到合适的相变材料,能比水容纳的热量更多,热量转移更快,能在让人感到舒适,且无毒、不易燃烧。

  1987 年,约翰逊航天中心的研究人员尝试将这类材料容纳于微小的胶囊内,代替航天服内的热交换器;1988 年,他们又尝试将相变材料与合成纤维相结合,研制宇航员的绝缘手套。

  如今,源自 NASA 的相变材料被商业化,制成各种型号的婴儿襁褓、睡袋、衍缝被等,为缺乏现代医疗服务地区的婴儿提供保温产品。织物中的相变材料能够在温暖时吸收热量,寒冷时释放热量,帮助宝宝保持最佳体温。

  NASA 每天都在应对极端环境的挑战,为此创造的各种工具,现已被应用于地面的安全监控、云层预警和水质净化等领域。

  所有结构都存在固有振动,这与形状和质量有关。发射火箭时,若引擎产生的声学共振频率与火箭结构的频率一样,就会相互驱动产生巨大的振幅,并导致物体断裂。因此, 战神一号 ( Ares-1X ) 运载火箭在测试中表现出来的振动问题,会对载人舱中的宇航员造成潜在威胁。

  为此,马歇尔太空飞行中心的工程师们试图用一个约 45 公斤的小装置——— 破坏性调谐质量阻尼器 ,阻止约 30 万公斤重的飞船出现共振。火箭第二阶段使用的氢燃料是质量巨大的液体。该设备被安装在燃料箱上之后,会像气球一样按照指定的频率扩张和收缩;收缩产生的空间,会被液体流过来填满。

  与 调谐质量阻尼器 通过传递能量消耗振动不同,它通过改变系统动力学控制火箭结构的振动频率,从本质上关闭共振。

  未来,它有望成为行业标准,用于航空航天和商业用途,如桥梁抗震、摩天大楼减晃、对石油钻井平台的支撑等。

  NASA 格伦研究中心与美国锐拓集团合作开发的一种旋转振动传感器,可以安装在直升机的传动装置上预测故障,还能用于汽车变速器、工业设备、石油和天然气钻探。

  该技术始于 NASA 的亚音速旋转翼项目,用于对直升机零部件进行健康评估和预测。后来,研究人员意外地发现,这种传感器还可用于检测出现问题的铁轨。

  为创建新的轨道安全系统,锐拓集团改装了这些传感器,使其能稳定地安置在高速旋转的火车轮轴末端,用以监测轨道上的异常情况,预测铁轨和车轮的故障。

  在空中,冰会覆盖在机翼和引擎上构成极大威胁。多年来,NASA 一直致力于消除这个隐患。

  不同于动辄花费数 10 万美元的地基结冰遥感系统,NASA 在 21 世纪初提出了一种新的数据收集方式———用气象气球将一款轻型的廉价传感器送入云层。有冰聚积时,弦的震动会发生改变,检测这些改变,就能为科学家提供信息———天空中到底潜藏着多少液态过冷水。利用这种传感器,NASA 开发了一套地面系统,为飞机提供恶劣天气的预警。

  这种传感器还能用于大田。当出现危害农作物的近地结冰条件,如有冷雾聚积时,传感器就会响起警报。

  全世界有超过 10 亿人缺乏清洁的饮用水。同样,太空中的每一滴水都无比珍贵。美国宇航员斯科特?凯利于 2015 年至 2016 年,曾在国际空间站生活了将近 1 年。NASA 开发了一种专门的技术,为其收集每一滴水分,南粤风采36选7包括汗液和尿液,使其转化为可饮用水。

  过滤是唯一的净化方法,但并不是所有的过滤器都安全有效。许多廉价的虹吸装置可去除污垢和污染物,却对更危险的渗透物束手无策,尤其是病毒。许多细菌和单细胞生物也能通过过滤器,被这些微生物感染的过滤器甚至会带来二次污染。

  汤姆 · 斯莫科夫是来自犹他州的纯水技术公司创始人,他希望能建立低成本的水过滤系统,快速高效地为整个村庄提供用水。他发现,为约翰逊航天中心开发的纳米陶瓷过滤器,能迅速消除超过 99.9% 的细菌和病毒。

  从一家特许生产商那里买下这款过滤器后,纯水技术公司研发的 Water ResQ 紫外多级过滤系统,可直接带至水源地使用,只需一个 12 伏的电池供电,就能每小时生产 174 加仑的饮用水。手摇曲柄提供动力的移动式手动过滤系统,则能空降至森林火灾现场,为消防员提供安全的饮用水。

  ▲纯水技术公司的紫外多级过滤系统 ( 上图 ) ,该装置可空降至森林火灾现场,满足消防员的饮水需求 ( 下图 ) 。

  应用了太空技术的手机摄像头、滑雪护目镜、助听器充电电池等产品,越来越多地出现在人们的生活中。

  继牙科 X 光机之后,手机和数码相机也广泛使用了 CMOS 有源像素传感器。事实上,我们用任何数码成像仪拍照时,都是在使用 NASA 的 CMOS 技术。

  上世纪六十年代,喷气实验室 ( JPL ) 的工程师尤金拉里提出了有关数码摄影的构想。上世纪八十年代末,基于电荷耦合器件 ( CCD ) 的传感器使高质量数码摄影成为可能。随后,JPL 工程师埃里克福萨姆创新改造了 CMOS 传感器,将时间与控制系统、模拟数字转换器和信号处理器等几乎所有电子元件,都整合在一张芯片上,研制出更加紧凑、可靠的 芯片上的相机 。

  ▲把 CMOS 数码图像传感器的优势最大化,由此制造出的小型高清摄像机可被用户装置在自拍杆、冲浪板,甚至自己身上。

  手机内置摄像机需要更加轻便、节能的高效图像传感器,这成为 CMOS 传感器大规模批量生产的主要推动力。随着成本的降低、质量的提高,CMOS 技术已主宰整个数码成像行业,截至 2015 年,包括汽车、监控和医疗行业在内,市场总额已接近 100 亿美元。

  GoPro 公司将 CMOS 数码图像传感器的优势最大化,开发出运动相机,用户可以将其安装在自拍杆、冲浪板甚至自己身上,高保真地记录每个冒险瞬间。

  ▲将 NASA 的光学滤波技术用于滑雪护目镜,可带给滑雪者更清晰的视野。

  所有人类肉眼可见的颜色中,对蓝色和绿色尤为敏感。当红色等外围色调与之同时出现时,就会被减弱识别度,该现象被称为 中心荷载敏感度 。某些情况下,这会干扰目标发现、距离估算等视觉判断。

  上世纪九十年代,NASA 艾姆斯研究中心的资深科学家莱恩哈斯里姆开发了一种屏蔽蓝光和绿光的光学滤波器,能将绿色变成黑色或灰色,使其他色彩脱颖而出,帮助我们更容易发现森林中的伪装物和那些濒临死亡的植物。经空气分子散射的蓝光会在山坡上营造出一种特别的朦胧视野,造成隐患。而将 NASA 的光学滤波技术用于滑雪护目镜,可过滤 95% 的蓝光,能将此种环境下的视敏度和深度知觉平均提升 12%-15%。

  后来,哈斯里姆的技术成果被商业化,两家公司合作开发了一系列滑雪护目镜产品,让滑雪者在山坡上也能拥有清晰的视野。

  NASA 花了很多精力开发银锌充电电池,是因为与其他电池相比,银锌电池的功率 / 重量比更高,即每盎司单位重量能提供更多的能量。

  ▲ NASA 的研究衍生出可充电的助听器电池,充电一次可持续工作超过一天。

  道格拉斯飞行器公司的宇宙动力实验室是 NASA 格伦研究中心的合作伙伴,经他们共同努力开发的 无机 - 有机 电池隔板,解决了银锌电池的电极易于溶解腐蚀、导电率低等问题,电池的耐久性和制造工艺也取得重大进展。

  在此基础上,来自加州卡的 ZPower 公司经过数年后续研发,最终推出了一款可以改装放入大多数现有助听器中的银锌充电电池。它也是首款只需充电一次就能持续工作超过一整天的助听器电池。

  这种电池装在一个专用插口内,该插口能直接将电荷从充电器传输至电池,免除了插拔电池的烦扰。

  近年来,随着 3D 打印机的传播和精密度的提高,NASA 正在探索使用 3D 打印技术为太空长期载人航天任务提供帮助。

  2014 年,来自马歇尔太空飞行中心和太空制造 3D 打印公司的工程师团队,建造了第一台可在零重力环境中工作的 3D 打印机,并成功地在国际空间站进行了测试。在太空中,只需接收来自地球的设计文件,就能打印出需要补给的设备,或那些无法发射至太空的物体。

  凭借在 NASA 获得的经验,来自约翰逊航天中心的前雇员团队创立了 re:3D 公司,制造销售低成本的大型 3D 打印机,大小是边长约为 60 厘米的立方体。他们希望让尽可能多的人有机会使用 3D 打印技术 打印所想 ,为那些生活在贫困地区、没有超市、无法网购的人们提供帮助。

  碳纳米管是由扁平的碳片材卷成的管状结构,1991 年由日本科学家首次发现,强度是钢的 100 倍,重量仅为其六分之一,有着巨大的应用潜力。

  理论上一直认为,将其他材料与这些强度极高的粒子混合,就能获得同样的强度,但事实证明很难实现。将原始的碳纳米管加入复合材料,它们只会聚集在一起,变成 一团制作失败的蛋糕糊 。

  NASA 一直都在寻找使宇宙飞船变得更坚固、更轻巧的方法,并提供资助推动碳纳米管在商业产品中的应用。例如,将轻便又坚固的碳纳米管复合材料用于船舶的着陆甲板,能让较小的船只开到甲板上,即使螺旋桨仍在旋转,也不会撕毁甲板;用灌注了碳纳米管的环氧树脂复合物制造赛车,能更好地承受撞车的冲击力;该材料也被用于制造自行车和棒球棒等体育用品。 ( 作者系上海科学院规划研究处助理研究员、博士 )

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