NASA航天技術轉移案例（二）

案例1 無重力舉重練肌肉

1996年，美國國家航空航天局（NASA）的航天員珊農·露西德（Shannon Lucid）在俄羅斯和平號（Mir）空間站停留了188天，期間花了數百小時進行鍛煉。當時，由于肌肉和骨密度的流失，航天員在微重力下長時間停留后被帶離航天器是正常的。1996年9月27日，當她從亞特蘭蒂斯號（Atlantis）航天飛機出艙時，基本上是在沒有幫助的情況下走出來的。盡管如此，露西德還是在太空中流失了肌肉質量和骨骼密度，走路搖搖晃晃。NASA的醫務人員知道他們必須為航天員找到一種更好的方法，讓他們在更長的任務中保持健康。1991-2001年，擔任約翰遜航天中心（JSC）醫療行動組負責人的羅杰·比利卡（Roger Billica）回憶道：“當時沒有一個好的解決方案。”比利卡及其團隊決定呼吁一下，采取對策來尋求一個解決方案。

就是這個呼吁引起了發明家保羅·弗朗西斯（Paul Francis）的注意。弗朗西斯曾設計了一種主要采用橡膠彈性體的零件，并將其發展成螺旋扭轉彈簧，將其命名為SpiraFlex阻力技術（Spinoff，2001）。弗朗西斯聯系了比利卡，向NASA的醫務人員、研究人員和航天員展示了SpiraFlex后，最終贏得了這個機會。弗朗西斯的公司與洛馬公司和懷爾實驗室（Wyle Labs）公司簽訂合同，開發新的NASA設備，該設備被稱為間斷性抗阻力鍛煉裝置（IRED）。NASA的生理學家邁克爾·拉普利（Michael Rapley）與弗朗西斯一起在IRED裝置上進行了各種實驗。直到2009年IRED才被更換，當時高級抗阻鍛煉裝置（ARED）被送到“國際空間站”，這兩個裝置共存了大約1年時間。

在與NASA合作建立初始設備后，弗朗西斯獲得了該技術的附加專利，并將其授權給美國健身器材品牌諾德士（Nautilus），這是一家將SpiraFlex融入其“博飛革命”（Bowflex Revolution）系列家庭健身器的健身器材公司。弗朗西斯表示，“博飛革命”系列已經實現了超過2億美元的銷售額。

案例2 “詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”的創新技術提高了眼科手術的速度和精度

研制中的“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）將為人類尋找宇宙中形成的第一個星系。建造這樣一臺望遠鏡顯然是項艱巨的任務，特別是需要制造大型鏡片。主鏡組裝起來之后，直徑大約有兩層樓高，由18片獨立反射鏡組成。每片反射鏡在光滑度、平整度上都有極高的要求，而且不能有瑕疵。這18片反射鏡的制造工藝包括測量、磨、拋光和檢測，然后反復實施這個過程，直到反射鏡符合要求，其中研磨工序就可能耗時數年之久。

在拋光工序中，NASA把合同發包給了諾格公司（Northrop Grumman）和鮑爾公司（PCC），后者又與L3技術公司簽署了分包合同。L3技術公司與WaveFront科學公司簽訂了合同，開發一種測量反射鏡拋光效果的系統。這項測量可以在研磨后的一天之內實施，然后給出鏡面的詳細圖樣，為下一步研磨提供指導。對NASA來說，這種新的測試技術縮短了制造高質量主鏡片的時間、減少了造價。

這項創新為研究者和醫生們提供了一種更快、更精確的手段，來測量復雜的表面，并可以用在不同類型的透鏡上，如人類的眼睛。為JWST開發的測量系統可以為準分子激光原地角膜消除術（也就是近視眼手術）提供新的手段。WaveFront科學公司利用JWST的技術轉移，研制了一種為眼科醫生設計的名為“全眼科分析系統”的產品，測量速度比此前的類似系統快了21倍。“全眼科分析系統”可以對人類的眼睛進行詳細測繪，支持對白內障、圓錐角膜（造成視力下降的一種眼球狀況）和眼球移動進行研究。這是美國乃至全球眼科醫生都需要的手段。

2007年，WaveFront科學公司被先進醫療光學公司（Advanced Medical Optics）收購，后者進一步改進了“全眼科分析系統”的技術。2年后，先進醫療光學公司又被阿伯特實驗室公司（Abbott Laboratories）收購，更名為阿伯特醫療光學公司（Abbott Medical Optics）。如今，這家公司在視力矯正領域處在領先地位，而“全眼科分析系統”也改名為波前像差儀（iDesign Advanced Wave Scan Studio），是該公司激光準分子近視眼手術解決方案的重要組成部分。

案例3 “卡西尼”探測器的膠帶

20世紀90年代中期，噴氣推進實驗室（JPL）的工作人員研制了“卡西尼”（Cassini）土星探測器，這是NASA和歐洲航天局（ESA）、意大利航天局（ASI）聯合研制的項目，在當時的投資就達到了14億美元。后來它進入土星軌道工作了11年。“卡西尼”不但自身攜帶了12臺科學儀器，所搭載的“惠更斯”（Huygens）著陸器上還有6臺科學儀器。為了讓這些設備能夠耐受星際航行期間的極端溫度變化和其他惡劣空間條件，需要用星衣把主要設備包裹起來。

為了讓星衣服帖地包裹在設備上，需要特殊的膠帶。但是當時JPL所能找到的膠帶都無法滿足“卡西尼”的各種光學特性。負責星衣的JPL專家馬克·杜蘭（Mark Duran）向盾膜公司（Dunmore）尋求解決方案。根據NASA提出的要求，這家公司研制了一系列特制膠帶，其中為“卡西尼”研制的膠帶采用了碳聚合聚酰亞胺薄膜，并增加了兩層密織材料。采用這樣的增強型膠帶后，整個試驗過程中只需要一套星衣就夠了。

在地面應用中，多層金屬鍍層聚酰亞胺絕熱材料可用于低溫物質運輸，例如液氫、液氧和液化天然氣。在其他需要低溫的環境中，如粒子加速器和核磁共振成像儀，也可以用到多層金屬鍍層聚酰亞胺絕熱材料。這種絕熱材料還能用來制造電路板，可以耐受焊接時產生的高熱。由于金屬鍍膜還能用來放空靜電，以防對電子元器件可能造成的損害。于是，Dunmore公司開始為地球上的電子產品大量生產鍍膜聚酰亞胺薄膜。為“卡西尼”探測器所研制的膠帶同樣可以用于消費電子設備。

商業航天企業包括太空探索技術公司（SpaceX）、軌道科學公司（ORB）、維珍銀河公司（Virgin Galactic）和藍色起源公司（Blue Origin），都向這家公司采購薄膜和膠帶。

案例4 新型熱量吸收相變涂層

炎炎夏日，大多數人都樂于享受冰鎮飲料，而不會去考慮杯子里發生的物理變化。但是，當飲料中的冰塊融化時，會產生一種強大的相變反應。馬歇爾航天飛行中心材料科學家拉吉·考爾（Raj Kaul）指出，相變的神奇之處在于溫度恰好在轉變點處保持穩定。NASA開發了一套不同熔點的材料，最初計劃將這些材料用于航天服中，但實踐發現當人體熱量積聚在密閉的航天服中時，會熱得令人感覺很不舒服。

21世紀初，考爾開始研究使用相變材料保護航天器（特別是航天飛機）外部的方法。當時固體火箭助推器涂有一種叫作馬歇爾收斂涂層（MCC-1）的保護材料，其基本上是軟木和環氧樹脂的混合物。軟木會燃燒，燃燒過程也會帶走熱量，還會燒蝕涂層，造成新材料暴露出來。因此，考爾決定研究一種新的不會燒蝕的保護涂層，并且在涂層下面仍然能夠保持安全的溫度。他最終開發出一種被封裝在塑料中的材料，保護固體火箭助推器不會因發射時的高溫而熔化，同時相變材料在熔化時不會滴落。

這種涂層不僅僅是局限于應用在航空航天領域。這項涂層專利很快就被企業家克里斯·比勒克（Chris Bilec）購買了。考爾建議這種涂料可以用于外墻涂料或作為屋頂涂料，這樣它在白天會吸收熱量，在夜間就會釋放熱量，會使房子更加節能。而比勒克認為很難研制出一種符合專利范圍的住宅涂料，但他已有其他商業應用的想法，包括一種可以隔離飛機的涂層。

比勒克解釋道，對于飛機來說，這個想法是在飛機的后端涂上一層防止噴氣發動機熱損傷的涂層，比勒克已將樣品送至航空涂料制造商進行測試。同時，他也關注到了一家為退伍軍人事務醫院制造熱阱的公司。比勒克在研發中還有另一個想法，就是發明一個無冰冷卻器，以及更小的午餐和剩菜容器。他說：“當我看到一些人買啤酒，卻說沒有足夠的空間放冰塊時，我想到了這個主意。我覺得找到了完美的解決方案。”

案例5 采用NASA標準設計的汽車座椅

起初，在人類用于太空旅行的航天器設計中，對安全性的考慮遠遠超過了舒適性。NASA約翰遜航天中心人類研究項目經理米赫里班·惠特莫爾（Mihriban Whitmore）描述說：“像‘雙子座’（Gemini）和‘阿波羅’（Apollo）這樣的早期太空艙體積小，采用座椅驅動設計，大部分飛行活動都是將航天員綁在座椅上進行的。”后來，NASA投入了更多的精力和資源來了解航天器如何為航天員提供舒適、安全的環境。NASA檢查的第一件事是中性體位（NBP），即人體在微重力下自然呈現的姿勢。

20世紀80年代，NASA在《人-系統集成標準》（MSIS）中明確并記錄了中性體位的特性。自此，NASA在人體姿態研究上取得了重大進展，包括從“國際空間站”工作區座椅到陸地車輛中汽車座椅的一切發展。

2005年，日產汽車公司（Nissan）美國辦事處的工程師們將NASA的中性體位研究作為開發日產汽車新型駕駛座椅的起點。像航天員一樣，汽車司機也需要安全舒適，才能夠長時間高效地駕駛汽車。Nissan公司汽車零部件工程開發部經理崛井平浩（Akinari Hirao）解釋說：“客戶對座椅的典型需求是舒適性，特別是無疲勞性。這就是我們發展的動力。”

2006年，Nissan公司公布了其首次研究成果，即采用其新型的帶有兩件式靠背的實驗座椅，用以保持中性體位。結果表明，座椅支撐了脊柱以及從骨盆到胸部的區域，并且促進了血液循環。坐在實驗座椅上時，駕駛員的姿勢保持接近中性體位，并且在長期久坐期間的疲勞程度大大降低。2007年，Nissan公司公布了第二階段研究成果，評估了原型座椅在高速公路上的長期動態駕駛條件。結果表明，得益于新的座椅姿態，其與傳統汽車座椅的疲勞程度相比，駕駛過程中的體力消耗僅為原來的50%。

Nissan公司還在2013款日產天籟汽車（Altima）上首次推出了源自NASA技術的座椅，并計劃應用到許多即將上市的日產和英菲尼迪汽車（Infiniti）中。此外，這項技術不僅適用于駕駛員和前排乘客的座椅，也適用于車輛的后排座椅。

這些座椅將會使經歷長途旅行的駕駛員和乘客感到更加輕松。