麻省理工学院在空间站开展液体挤出3D打印实验，打造未来太空科幻技术

2022年11月29日，南极熊获悉，SpaceX于上周六成功发射了其猎鹰9号火箭，为国际空间站（ISS）的工作人员运送新的科学研究物资和设备。更重要的是，与Artemis 1号发射任务类似，此次搭乘SpaceX第26次商业再补给任务（CRS）同样搭载了用于太空3D打印研究的项目物资。据悉，这是一个来自麻省理工学院媒体实验室的项目，它有助于推进太空中的大规模3D打印建造。

△SpaceX公司的猎鹰9号火箭，搭载有Dragon飞船，从NASA肯尼迪航天中心飞向天空。图片由美国宇航局提供。

“黑匣子2”是一个由空间服务提供商Nanoracks开发的遥控商业空间站平台，允许同时进行多项实验，被称为 "挤压 "的增材制造实验研究与麻省理工学院媒体实验室的其他几项实验一起进入太空，这些实验由国际空间站国家实验室赞助。

△麻省理工学院太空探索计划中“挤压有效载荷”项目装置的内部视图，显示在样品装载前的飞行准备。这项技术演示测试了在微重力条件下快速挤压和紫外线固化液体树脂形状的新方法。图片由麻省理工学院太空探索计划提供。

通过新的增材制造实验，研究人员将演示在微重力环境下将液体树脂挤压成定制的形状，以创造出在地球上无法制造的几何形状。有效载荷结构本身由三个泵组成，将光固化树脂注入预先制作好的柔性形状中，同时由一台摄像机捕捉这一过程的画面。

首席研究员和麻省理工学院媒体实验室空间探索计划主任Ariel Ekblaw在评论这个项目时说："这个实验利用微重力环境来挤压普通和复杂的分支形状。我们的方法减少了生产日常任务所需的关键部件的时间，它可能支持未来的大型结构如桁架和天线的太空建造。挤压调查建立在我们的增材制造和空间自组装工作流的基础上。"

△在麻省理工学院的挤压实验中，硅树脂表皮包含并塑造了液体挤压过程。图片来源：快速液体打印/麻省理工学院媒体实验室。

作为麻省理工学院3D打印的热心导师，Ekblaw解释说，在微重力环境下，通常会下垂的自由空间的挤压可以不受阻碍地进行，从而可以创造出在重力环境下无法生产的结构。在地球上，重力使大型物体变形，例如大规模建筑中使用的梁。传统的增材制造工艺，特别是那些使用液体树脂作为原料的工艺，受到了重力的限制。相反，太空的失重条件使得制造这些更长、更薄的结构时不会有这种变形。

如果成功的话，挤压项目可以帮助为更复杂的空间结构的增材制造奠定基础，包括空间站、太阳能阵列、望远镜和工业设备，以支持未来的空间探索。

△麻省理工学院在轨期间所开展挤压实验中的包含和塑造液体挤压过程。图片来源：快速液体打印/麻省理工学院媒体实验室。

此外，考虑到整体发射大型结构是不可行的，因为它们必须在地球上和发射过程中承受比在太空中经历的更大的力量，这些作品可以在轨道上使用挤压技术创建，并运回地球使用。

在被发射到国际空间站之前，由Ekblaw领导的团队在2021年5月的抛物线飞行中测试了挤出的有效载荷。登上零重力测试飞机后，该团队成功地测试了这种在微重力条件下快速挤压和紫外线固化液体树脂形状的新方法。

挤压硬构件的早期版本使用了两种原料，一种是小号软丝和一种光固化树脂。它通过一个喷嘴组件挤压这两种材料，喷嘴组件同时将金属丝弯曲成三维形状，并在其上涂上一层均匀的树脂。根据最初的项目计划，在喷嘴后放置了一排紫外线LED发射器以固化树脂，使其硬化并与电线粘合。一旦整个形状被创造出来，一个切割机器就在喷嘴的出口处劈开涂抹的电线，以便创造另一个形状。

△团队成员（从右到左）王喆玮、Aiden Padilla、Sean Auffinger、Martin Nisser和Ariel Ekblaw与安装在Zero-G飞机上的实验设备合影。图片来源：Steve Boxall/ZERO-G

尖端的3D打印实验，比如这个来自麻省理工学院研究人员的实验，经常被送往国际空间站进行测试。在上个月，另一艘由诺斯罗普-格鲁曼公司运营补给飞船将Techshot公司备受关注的生物打印平台（更多地被称为BioFabrication Facility）送回微重力实验室，该平台具有进一步开展人体组织打印研究的新能力。而在去年2月，康奈尔大学测试了在空间站上实现3D打印的软件。在地面上，航天局也在支持无数的增材制造和生物打印项目，这些项目将为不断增长的太空生态系统做出贡献，如 "复制者 "3D打印机，其目的是在太空中生产软骨。

麻省理工学院媒体实验室的太空探索计划也支持一系列横跨科学、工程、艺术和设计的微重力和月球研究项目，它的任务是 "建立出我们科幻太空未来的技术，同时尽可能地保持我们的创新和团队的开放性和可及性"。这种使空间探索民主化的想法将允许新的学科和技术（如AM）在空间提供更多的体验。

通过这一倡议，麻省理工学院的研究人员正在创造和部署空间创新，设想一个大胆和文化丰富的"新太空时代"，这其中包括：星状细菌可穿戴设备、开放式立方体卫星、用于太空航行的乐器，漂浮的太空栖息地和先进的零重力3D打印技术。