國際太空站最近一次補給任務的科學調查包括金屬3D列印、半導體製造、重返大氣層熱保護、機器人手術和軟骨組織再生的進展。這些研究旨在提高太空任務的可持續性，並對地球上的科技和醫療保健產生重大影響。在諾斯羅普-格魯曼公司的第20次商業補給服務任務中，美國國家航空暨太空總署（NASA）和國際合作夥伴將對3D金屬列印機、半導體製造和重返地球大氣層的熱保護系統進行測試，這些都是向國際太空站發射的科學調查項目。

諾斯羅普-格魯曼公司的”天鵝座”（Cygnus）太空貨運飛船在結束與軌道實驗室”團結號”（Unity）太空艙為期四個月的連接後，被Canadarm2機械臂控制著離開國際太空站。圖片來源：美國國家航空暨太空總署

該公司的”天鵝座”貨運飛船計劃於1 月下旬由SpaceX獵鷹9 號火箭從佛羅裡達州卡納維拉爾角太空站發射升空。

金屬三維印表機在發射到太空站之前製作的樣品。圖片來源：歐空局

太空3D 列印

歐洲太空總署（ESA）的一項研究成果–“金屬3D列印機”（Metal 3D Printer）測試了微重力環境下小型金屬零件的積層製造或3D列印技術。

歐空局的羅布-波斯特馬（Rob Postema）說：「這項調查讓我們初步了解了這種印表機在太空中的表現。3D列印機可以列印出許多形狀，我們計劃列印一些標本，首先了解太空列印與地球列印的不同之處，其次看看我們可以用這項技術列印出哪些類型的形狀。此外，這項活動還有助於展示機組人員如何在太空中安全高效地列印金屬零件。”

研究結果可提高人們對太空金屬三維列印的功能、性能和操作，以及列印零件的品質、強度和特性的認識。補給是未來長時間載人飛行任務的挑戰。在未來的長期太空飛行以及月球或火星上，乘員可以使用三維列印技術製作設備維護零件，從而減少攜帶備件的需要，或預測可能需要的每種工具或物品，節省發射時間和金錢。

金屬三維列印技術的進步也能為地球上的潛在應用帶來益處，包括為汽車、航空和航海業製造發動機，以及在自然災害發生後建造避難所。

由空中巴士防務與航太公司（Airbus Defence and Space SAS）領導的一個小組根據與歐空局簽訂的合約開展了這項調查。

用於Redwire MSTIC 調查的氣體供應模組和生產模組。來源：Redwire

微重力環境下的半導體製造

半導體和薄膜整合塗層製造（MSTIC）研究微重力如何影響用途廣泛的薄膜。

開發該技術的Redwire Space 公司的Alex Hayes 表示：「生產具有卓越表面結構的薄膜的潛力，以及從能量收集到先進感測器技術的廣泛應用，尤其具有突破性意義。這代表著太空製造領域的重大飛躍，可能預示著一個技術進步的新時代，對太空探索和地面應用都具有廣泛的影響”。

這項技術可以使自主製造取代目前用於製造各種半導體的許多機器和工藝，從而有可能開發出更高效、性能更高的電氣設備。

在微重力狀態下製造半導體裝置還可以提高其質量，減少所需的材料、設備和勞動力。在未來的長期任務中，這項技術可以提供在太空生產元件和設備的能力，從而減少從地球進行再補給任務的需要。這項技術還可應用於在地球上收集能量和提供電力的設備。

海耶斯說：”雖然最初的試點計劃是為了比較地球上和太空中生產的薄膜，但最終目標是擴大到半導體領域的各種生產領域。”

藝術家繪製的重返大氣層期間的KREPE-2 號太空艙之一。資料來源：肯塔基大學A. Martin、P. Rodgers、L. Young、J. Adams

模擬重返大氣層

在太空站上進行研究的科學家通常會將他們的實驗品送回地球進行進一步的分析和研究。但是，太空船在重返大氣層期間所經歷的條件，包括極端高溫，可能會對太空船內的物品產生意想不到的影響。用於保護太空船及其內裝物的熱保護系統是以數值模型為基礎的，而這些模型往往缺乏實際飛行的驗證，這可能導致對所需系統規模的大幅高估，並佔用寶貴的空間和品質. 肯塔基再入大氣層探測器實驗-2（KREPE-2）是改進熱保護系統技術工作的一部分，它使用三個裝有不同隔熱材料和各種感測器的太空艙來獲取實際再入大氣層條件的數據。

肯塔基大學首席研究員亞歷山大-馬丁說：”在KREPE-1成功的基礎上，我們改進了感測器，以收集更多的測量數據，並改進了通訊系統，以傳輸更多的數據。我們有機會測試美國國家航空暨太空總署提供的幾個從未測試過的隔熱罩，還有一個完全由肯塔基大學製造的隔熱罩，這也是第一次”。

這些太空艙還可用於其他重返大氣層實驗，支援改進地球上應用的熱屏蔽，例如保護人類和建築物免受野火傷害。

發射前在地面進行測試的手術機器人

遠端機器人手術

機器人手術技術演示測試了一種小型機器人的性能，可以從地球上遙控進行外科手術。研究人員計劃對微重力和地球上的手術進行比較，以評估微重力的影響以及太空和地面之間的時間延遲。

虛擬切口公司（Virtual Incision Corporation）首席技術長Shane Farritor 說，機器人用兩隻”手”抓取和切割模擬手術組織，並提供張力，用於確定切割的位置和方式。”

較長的太空任務增加了乘員需要外科手術的可能性，無論是簡單的縫合還是緊急闌尾切除術。這項調查的結果將有助於開發機器人系統來完成這些手術。此外，從2001 年到2019 年，美國農村地區的外科醫生數量減少了近三分之一。機器人的微型化和遠端控制能力可能有助於隨時隨地進行手術。

美國國家航空暨太空總署（NASA）贊助微型機器人研究已有15 年之久。2006年，遙控機器人在水下執行了NASA極端環境任務行動（NEEMO）9號任務。2014年，微型手術機器人在零重力拋物線飛機上執行了模擬手術任務。

Janus Base 奈米基質可固定軟骨細胞（紅色）並促進軟骨組織基質（綠色）的形成。資料來源：康乃狄克大學

在太空中長出軟骨組織

艙室軟骨組織架構展示了兩種技術，分別是Janus Base Nano-Matrix (JBNm) 和Janus Base Nanopiece (JBNp)。JBNm 是一種可注射材料，可為微重力環境下軟骨的形成提供支架，可作為研究軟骨疾病的模型。JBNp 可提供一種基於RNA 的療法，以防治導致軟骨退化的疾病。

軟骨的自我修復能力有限，骨關節炎是地球上老年患者造成殘疾的主要原因。微重力會引發軟骨退化，這種退化與與老化相關的骨關節炎的進展相似，但發生得更快，因此在微重力環境下進行研究可以更快地開發出有效的療法。這項研究的結果可以促進軟骨再生，從而治療地球上的關節損傷和疾病，並有助於開發在未來的月球和火星任務中保持軟骨健康的方法。

編譯來源：ScitechDaily