太空技術應用民生領域

□ 雷蓉

太空技術應用民生領域

□ 雷蓉

美國宇航局（NASA）有著無數(shù)高冷的尖端科技，并且通過其技術轉移計劃挖掘出在航空航天之外的商用價值，培育了大批新興企業(yè)。這對其他各國推進技術成果轉化很有借鑒意義。

自1958年正式成立以來， 美國宇航局的新技術和新產品就一直在改善著人們的日常生活。

在健康醫(yī)療方面，從溫度調節(jié)面料到牙科成像傳感器，為航天員設計的衣物和傳感器演變成保護生命、提高醫(yī)療診斷水平的新產品。

在公共安全領域，每天美國宇航局都在應對極端環(huán)境的挑戰(zhàn)——真空、太空中的大幅溫度波動、重返地球大氣層時的炙熱、火箭發(fā)射時的爆炸等，為此創(chuàng)造的各種工具在地面上也被應用于汽車碰撞試驗的高速攝像機、實施安全監(jiān)控的振動傳感器等。

在生活消費領域，手機攝像頭、滑雪護目鏡、助聽器充電電池等諸如此類的太空技術頻繁出現(xiàn)在您的家庭和每天使用的產品中。

健康醫(yī)療技術

1.有源像素傳感器引領牙科成像進入數(shù)字化時代

基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的圖像傳感器最早應用于牙科X光機，源于美國宇航局捕捉各種圖像的需求。上世紀90年代初，噴氣推進實驗室工程師埃里克·福薩姆著手開發(fā)一款基于CMOS技術的高效圖像傳感器。CMOS由微電子晶體管組成，在感光單元內部由預處理電路直接將傳感產生的光電信號放大轉化為電信號，并稱之為有源像素傳感器。

▲ 使用CMOS牙科成像設備展示的牙齒植入X光影像

為了開發(fā)這款傳感器，噴氣推進實驗室與多家企業(yè)簽署了技術合作協(xié)議，包括來自紐約長島的牙科器件制造商Schick技術公司，他們希望能使用CMOS成像系統(tǒng)降低牙科X光設備對電噪音的敏感性，提高診斷的準確性。1995年，福薩姆和同事創(chuàng)立Photobit公司，擁有了CMOS成像的獨家授權，而Schick公司則獲得了CMOS牙科成像設備的獨家授權。Schick公司現(xiàn)已被德國西諾德牙科設備有限公司收購，并在產品的尺寸、速度、內存、質量，以及大規(guī)模低成本制造方面，發(fā)展迅猛。如今，使用CMOS牙科成像傳感器仍需西諾德公司的技術授權。

2.冷卻服在醫(yī)療、體育和工業(yè)領域的新用途

上世紀60-70年代，比爾·埃爾金斯曾與來自美國宇航局艾姆斯研究中心和美國空軍的工程師們一起研制航天員的液體冷卻服。他們設計了一組薄板，包含許多由小管連接的液體通道，還開發(fā)了一個頭盔冷卻系統(tǒng)。

▲ Welkins公司的冷卻系統(tǒng)面向體育界，用于提高運動表現(xiàn)、防止運動傷害

埃爾金斯后來與多家企業(yè)合作開發(fā)新產品，包括來自伊利諾伊州的Welkins公司。該公司擁有多種冷卻技術，主要用于防止心臟病發(fā)作或中風后的腦損傷、提高運動表現(xiàn)、治療腦震蕩，以及幫助工人解決沉重的防護裝備內過熱的問題，例如橄欖球運動員佩戴的頭盔和拆彈人員穿的防護服等。

3.讓嬰兒感覺舒適的溫度調節(jié)面料

20世紀80年代，美國宇航局研究了一種在航天服里面進行熱量管理的方法，即使用相變材料。像飲料中的冰塊一樣，這些材料在從固態(tài)到液態(tài)的相變過程中不斷吸收熱量，遇到度，它們就會釋放熱量，重新凍結。實現(xiàn)這種方法的關鍵在于找到合適的相變材料，能比水容納更多的熱量，熱量轉移更快，能在讓人感到舒適的溫度里發(fā)生相變，且必須無毒、不易燃燒。

1987年，約翰遜航天中心授予三角公司一份“小企業(yè)創(chuàng)新研究”合同，嘗試對這類材料進行應用，將其容納于微小的膠囊內，代替航天服內的熱交換器。1988年，該公司嘗試將這些材料與合成纖維相結合，制造航天員的絕緣手套。近期，來自舊金山的擁抱創(chuàng)新公司將其商業(yè)化，產品線包括各種型號的嬰兒襁褓、睡袋、衍縫被等，織物中的相變材料能夠在暖和時吸收熱量，寒冷時釋放熱量，幫助寶寶保持最佳體溫。

公共安全技術

1.“獵戶座”航天器對視頻的要求推進了緊湊型高速相機的開發(fā)

▲ 為了監(jiān)控“獵戶座”飛船的降落傘，科研人員研制了新型攝像機

“獵戶座”飛船于2014年12月首次試飛，為了監(jiān)控著陸降落傘，約翰遜航天中心的工程師們需要一個小巧、輕便、高分辨率、低功耗，能與高速拍攝同步存儲數(shù)據(jù)的攝像機，并能經(jīng)受發(fā)射、太空環(huán)境、重返大氣層及海中降落等種種嚴酷環(huán)境。他們與承包商洛·馬公司一起找到了來自加州的IDT公司，其生產的專業(yè)攝像機主要用于工業(yè)界和科學界，如碰撞試驗。IDT公司開發(fā)的相機輕便小巧、堅固、抗輻射、防水，能在毫秒級時間內快速調整曝光，并能以10GB/秒～12GB/秒的速度備份數(shù)據(jù)，簡直令人難以置信。

▲ IDT公司速度最高的相機用于汽車碰撞試驗

IDT公司為美國宇航局開發(fā)了高速固態(tài)存儲器。在碰撞試驗或軍事武器測試中，相機的存儲器也非常重要。例如，將IDT公司速度最高的相機安裝在汽車和碰撞設備上，每毫秒數(shù)據(jù)都被即時地永久地儲存下來。當軍事測試過于危險而讓人無法靠近時，還能用其任務模式對數(shù)據(jù)記錄進行預編程。

2.弦式傳感器預警云層險情

結冰是飛機飛行中面臨的常見危險之一，在空中，冰會覆蓋在機翼和引擎上構成極大威脅。多年來，美國宇航局一直致力于消除這個隱患。不同于動輒花費數(shù)十萬美元的地基結冰遙感系統(tǒng)，21世紀初，該局提出了一種新的數(shù)據(jù)收集方式，一款輕便的廉價傳感器，可隨氣象氣球送入云層。來自蒙大拿州的Anasphere公司與美國宇航局格倫研究中心合作，設計了一款振弦傳感器。冰聚積時，它能檢測到弦的震動改變，為科學家提供信息——天空中到底潛藏著多少液態(tài)過冷水。利用這種廉價的輕型傳感器，該局開發(fā)了一套地面系統(tǒng)，為遭遇危險結冰條件的飛機提供預警。

▲ Anasphere公司的低成本液態(tài)過冷水傳感器能在冰聚積時檢測到弦震動的改變，并發(fā)展了美國能源部和農業(yè)領域的其他客戶

Anasphere公司還將其出售給美國能源部和GRAW公司（德國無線電探空儀中國子公司）等其他客戶，進軍中國市場。GRAW公司期望將其出售給農民，當出現(xiàn)危害農作物的近地結冰條件，如有冷霧聚積時，傳感器就會響起警報。

3.高流量納米纖維過濾器凈化家庭與農田用水航天員都無比珍貴。美國航天員斯科特·凱利在國際空間站生活的一年中，美國宇

航局開發(fā)的專門技術收集點滴水分，包括汗液和尿液，轉化為飲用水。過濾，是唯一的解決辦法。并不是所有的過濾器都安全有效，許多廉價的虹吸裝置可去除污垢和污染物，但對更危險的滲透物束手無策，尤其是病毒。許多細菌和單細胞生物也能通過過濾器，而被這些微生物感染的過濾器甚至會帶來二次污染。

湯姆·斯摩科夫是來自猶他州的純水技術公司創(chuàng)始人，他希望能建立低成本水過濾系統(tǒng)，快速高效地為整個村莊提供用水。他發(fā)現(xiàn)，為約翰遜航天中心開發(fā)的納米陶瓷過濾器，能迅速消除超過99.9%的細菌和病毒。從一家特許生產商那里買下這款過濾器后，他們建造的便攜式多級過濾系統(tǒng)可直接打包帶至水源地使用，由電池或手搖曲柄提供動力。如Water ResQ紫外系統(tǒng)，只需一個12伏的電池供電，經(jīng)過包括納米陶瓷過濾器在內的四層過濾，每小時可生產174加侖安全飲用水。其出售的移動式手動過濾系統(tǒng)，甚至能傘降至森林火災現(xiàn)場，滿足消防員的飲水需求。

生活消費領域技術

全世界有超過十億人缺乏清潔的飲用水。同樣，太空中的每一滴水對

1.CMOS傳感器助力手機攝像頭及高清視頻

▲ 運動相機公司GoPro將CMOS數(shù)碼圖像傳感器的優(yōu)勢最大化，制造的小型高清攝像機可被用戶裝置在自拍桿、沖浪板，甚至自己身上

繼牙科X光機之后，手機和數(shù)碼相機也廣泛使用了CMOS有源像素傳感器。20世紀60年代，空氣噴氣推進實驗室工程師尤金·拉里就提出了有關數(shù)

碼攝影的構想。20世紀80年代末，基于電荷耦合器件（CCD）的傳感器使高質量數(shù)碼攝影成為可能。隨后，該實驗室工程師埃里克·福薩姆相信能利用CMOS技術開發(fā)出更加輕便、快速、高效的新型成像器。每個CMOS像素都是一個小放大器，對自身信號進行讀取，比之CCD將所有信號轉移至同一個放大器，降低了電壓需求，解決了電荷轉移效率的問題。經(jīng)福薩姆創(chuàng)新改造，新的CMOS傳感器降低了工作噪聲，并將時間和控制系統(tǒng)、模擬數(shù)字轉換器和信號處理器等幾乎所有電子元件整合在一張芯片上，誕生出更加緊湊、可靠、廉價的“芯片上的相機”。手機內置攝像機的小型化、節(jié)能型需求推動了CMOS圖像傳感器的大規(guī)模批量生產，技術與制造工藝的進步在降低成本的同時提高了質量。

來自加州的GoPro公司就利用CMOS開發(fā)出了運動相機，用戶可以將其裝置在自拍桿、沖浪板，甚至自己身上，高保真記錄每個冒險瞬間。CMOS技術主宰了整個數(shù)碼成像行業(yè)，截至2015年，包括汽車、監(jiān)控和醫(yī)療行業(yè)在內，市場總額已近100億美元。

2.濾藍光鏡片讓滑雪者的視野更清晰

人類肉眼在所有可見的顏色中，對藍色和綠色最為敏感。當紅色等外圍色調與之同時出現(xiàn)時，就被減弱識別度，該現(xiàn)象被稱為“中心荷載敏感度”，某些情況下，會干擾目標發(fā)現(xiàn)、距離估算等視覺判斷。20世紀90年代，美國宇航局艾姆斯研究中心的資深科學家倫恩·哈斯里姆開發(fā)了一種屏蔽藍光和綠光的光學濾波器，能將綠色變成黑色或灰色，使其他色彩脫穎而出，幫助我們更容易發(fā)現(xiàn)森林中的偽裝物和那些瀕臨死亡的植物。經(jīng)空氣分子散射的藍光會在山坡上營造出一種特別的朦朧視野，將該局的光學濾波技術用于滑雪護目鏡，能將此種環(huán)境下的視敏度和深度知覺平均提升12%～15%。

應用美國宇航局的技術，NASTEK公司生產的滑雪護目鏡能改善斜坡視野

后來，哈斯里姆的技術成果被商業(yè)化了。NASTEK公司與來自科羅拉多州的視神經(jīng)公司合作，開發(fā)了一系列滑雪護目鏡產品，可過濾95%的藍光，讓專業(yè)運動員、業(yè)余滑雪者和滑雪巡邏隊在山坡上也能擁有清晰的視野。

3.源自美國宇航局的助聽器充電電池

▲ ZPower公司的銀鋅充電電池裝置在一個專用插口內，可改裝到大多數(shù)現(xiàn)有助聽器上。該插口能將電荷從充電器傳輸至電池，免除了插拔電池的煩擾

美國宇航局花了很多精力開發(fā)銀鋅充電電池，是因為與其他電池相比，銀鋅電池的功率/重量比更高。道格拉斯飛行器公司的宇宙動力實驗室是該局格倫研究中心的合作伙伴，經(jīng)他們共同努力開發(fā)的“無機-有機”電池隔板，不僅解決了銀鋅電池電極易于溶解腐蝕、導電率低等問題，電池的耐久性和制造工藝都取得重大進展，進一步降低了生產成本。

在此基礎上，來自加州的ZPower公司經(jīng)過數(shù)年后續(xù)研發(fā)，最終推出了一款可以改裝到大多數(shù)現(xiàn)有助聽器的銀鋅充電電池，也是首款只需充電一次就能持續(xù)工作超過一整天的助聽器電池。

4.大型3D打印機讓制造走入大眾

▲ 3D公司的標配型打印機體積約占0.224立方米

近年來，隨著3D打印機的廣泛傳播和精密度的提高，美國宇航局正在探索使用3D打印技術為深入太空的長期載人航天任務提供幫助。在地面上完成設計和測試，在太空中，只需接收設計文件，就能直接打印所需設備或是那些無法發(fā)射至太空的物體。2014年，來自馬歇爾太空飛行中心和太空制造3D打印公司的工程師團隊建造了第一臺可在零重力環(huán)境中工作的3D打印機，并成功地在國際空間站進行了測試。

一個由約翰遜航天中心前雇員組成的團隊在得克薩斯州創(chuàng)立了re∶3D公司，制造銷售的低成本大型3D打印機，體積僅比普通臺式打印機大30倍，客戶遍布全球，甚至包括美國宇航局。他們始終堅持自己的發(fā)展使命，每出售100臺打印機就捐贈一臺，為那些生活在貧困地區(qū)，沒有超市、無法網(wǎng)購的人們提供幫助。★