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作者:艾拉·阿特金斯

不久前在国际空间站,俄罗斯宇航员利用3d打印技术制造出了老鼠甲状腺,这是人类首次在太空打印生物器官。

在太空工作生活并不容易,经常出现物资匮乏情况。依赖地球“补给”制约着人类向深空探索。2014年,美国向国际空间站运送了世界首台太空3d打印机,先后打印出一系列太空专用零部件,揭开了人类“太空制造”“自给自足”的序幕。

一般来说,当国际空间站内缺少某种工具或部件时,宇航员们就得花上数周甚至数月等待地面送来物资补给。有了太空3d打印机,技术人员在地球上设定出物品的制造程序,然后用电子邮件发送至国际空间站,整个过程耗时不到一周,而实际打印时间只有约4小时。

除了时间成本,太空3d打印所节约的运输成本同样可观。空间站、基地或复杂航天器的系统由许多部分组成。尽管在建造时就力求可靠,但仍然面临着零件损坏、系统升级等问题。如果携带大量预制零件进入太空,就会大大增加高昂的发射费用。如采用太空3d打印技术,只需将原材料和轻型打印机带入太空,从而就地制造所需零部件,最大限度减少发射重量并提高工作效率。未来,当人类能够从其他星球表面开采原材料时,还能在太空建立“零件工厂”,进一步减轻航天器的发射重量,节约空间。

3d打印技术在太空的操作环境与地球大不相同,技术难度也不一。在地球上,依靠重力,3d打印机挤出的加热塑料、金属或其他材料能自然地沉积,一层一层打印出三维物体。而在太空零重力条件下,需要使用以给定速率旋转的离心机来确保材料沉积到位,或者修改3d打印的过程来使设备平稳运行。不过,原本基于地球的3d打印技术更容易适应有着微重力环境的月球和火星。

3d打印技术的“升空”还面临着人手不足的问题。在缺少太空人员甚至无人监督的情况下,制作、提取、运送、安装等整个打印过程,都需要借助高度自动化甚至全自动化的机器人来完成系统操作和协调工作。要想实现“太空制造”,机器人自动化技术必不可少,这一技术甚至比在零重力下进行3d打印更复杂,难度系数更高。只有拥有更加智能的机器人,加上外星球“就地取材”技术的突破,人类才有可能通过机器人流水线在太空完成原材料收集、零件装配,甚至是月球或火星基地建造工作。

3d打印能设计出高精度的复杂几何模型,其制造过程一度令人叹为观止。然而,与传统制造业相比,材料需特制、量产成本高等限制因素使它看起来似乎有些“华而不实”,与普通人的日常生活还相去甚远。不过,在航空航天、军事、临床医学等尖端领域,3d打印可以在短时间内生产出高度个性化的部件和模型,令高端制造如虎添翼,人们对太空3d打印技术的前景充满期待。

(作者为美国密歇根州立大学航天工程学教授,本报记者尚凯元采访整理)

[位置:>;>,责编:赵清建]

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