劉秉軍

國(guó)際空間站正在開(kāi)展一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——在太空中3D打印人造器官。如果實(shí)驗(yàn)成功，那么未來(lái)需要移植器官的患者將不必依賴器官捐獻(xiàn)。太空環(huán)境相當(dāng)于一個(gè)活躍的實(shí)驗(yàn)室，能夠挑戰(zhàn)許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的極限。一些在地球上完全難以想象的新技術(shù)、新產(chǎn)品，正在太空中被成功孵化。

人造器官和再生技術(shù)

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，國(guó)際空間站上的新型實(shí)驗(yàn)設(shè)施被稱為生物制造設(shè)施（BFF），是不久前由SpaceX火箭送達(dá)國(guó)際空間站的。該設(shè)施的核心是一臺(tái)3D生物打印機(jī)，它正嘗試在太空中打印人體組織——用于修復(fù)受損心臟的心臟補(bǔ)片。

許多科學(xué)家都致力于開(kāi)發(fā)人造器官，盡管取得了不少成果，但仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。尤其是人造器官在制造過(guò)程中需要依附于支架，這樣才能保持特定的形狀，但到目前為止，還沒(méi)有一種支架可以在不損害人造器官的情況下被順利移除。研究人員一方面致力于開(kāi)發(fā)更精巧的易于移除的支架，另一方面也致力于在太空實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)人造器官。太空中的微重力環(huán)境可以在不需要支架的情況下生產(chǎn)人造器官，從而開(kāi)辟一條新的道路。

BFF由宇航員在國(guó)際空間站中組裝。它的工作原理是在“細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器”中用人造細(xì)胞打印組織，最終形成器官。研究人員預(yù)計(jì)初步實(shí)驗(yàn)將持續(xù)幾個(gè)月，最終打印出的人造器官將被送回地球進(jìn)行研究。

與國(guó)際空間站合作的美國(guó)Techshot公司總裁兼首席執(zhí)行官約翰·韋林格表示：“利用3D生物打印機(jī)在太空中培育組織或器官，從技術(shù)和生物學(xué)的角度來(lái)看，需要經(jīng)歷艱難的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試過(guò)程，而一旦成功，那么對(duì)于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)來(lái)說(shuō)都將是重大突破。未來(lái)需要移植器官的患者將不必依賴器官捐獻(xiàn)，用患者自己的干細(xì)胞就能生產(chǎn)人造器官?！?/p>

除了3D打印人造器官，科學(xué)家們還有更加激進(jìn)的設(shè)想——在太空中研究人體再生器官的可能性。

渦蟲是地球上最簡(jiǎn)單的生命形式之一，但它有一個(gè)令人難以置信的能力：如果把它切成兩半，那么每一半都能長(zhǎng)成一條完整的渦蟲。這種強(qiáng)大的再生能力源于在渦蟲的全身分布著干細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，一旦其身體被切割，那么干細(xì)胞就可以隨時(shí)生長(zhǎng)出新的身體。

科學(xué)家們很早就開(kāi)始在地球上研究渦蟲再生的原理。如今國(guó)際空間站上的科研人員正在研究，在微重力環(huán)境下渦蟲體內(nèi)的干細(xì)胞是如何發(fā)揮作用的。為了太空之旅，渦蟲付出的代價(jià)可以說(shuō)非常高：它們?cè)诘厍蛏媳磺械纛^或者尾巴，隨后被送往空間站。生活在空間站里的渦蟲被嚴(yán)密監(jiān)控，科學(xué)家們跟蹤觀察它們被激活的再生基因，并與地球上觀測(cè)到的渦蟲再生能力進(jìn)行比較。在太空中對(duì)渦蟲進(jìn)行研究，有助于研發(fā)一種能使人體在微重力環(huán)境中進(jìn)行自我修復(fù)的再生技術(shù)。

未來(lái)材料技術(shù)的突破口

太空中可以產(chǎn)生比地球上效果好1萬(wàn)倍的真空環(huán)境，研究人員利用這種“超真空”環(huán)境開(kāi)發(fā)出各種稀有材料，這是決定未來(lái)材料技術(shù)發(fā)展的突破口。

太空新材料開(kāi)發(fā)的先行者是美國(guó)。早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)就在航天飛機(jī)上配備了“真空尾跡屏罩設(shè)備”（WSF），它是一個(gè)直徑3.7米的不銹鋼圓盤，跟隨航天飛機(jī)在太空中飛行，其內(nèi)部形成“超真空”環(huán)境。美國(guó)科學(xué)家利用WSF合成了一種超薄、超純凈的薄膜材料，用于制造新型半導(dǎo)體材料——這是太空新材料的首次應(yīng)用。在那之后，國(guó)際空間站上一直設(shè)有新材料開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室。

中國(guó)在太空新材料開(kāi)發(fā)方面的進(jìn)展很快。中國(guó)“天空二號(hào)”飛行器被視為未來(lái)空間站的雛形。它配備的綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置，外表看起來(lái)像一顆小型核彈，其實(shí)是一個(gè)新材料實(shí)驗(yàn)爐。另外還有一個(gè)電控箱——控制加熱條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)都要靠它。實(shí)驗(yàn)爐開(kāi)發(fā)出的新材料樣品由專門的樣品袋保存。整套系統(tǒng)加起來(lái)只需要200瓦的功耗，而爐內(nèi)的最高溫度可以達(dá)到950攝氏度，能融化玻璃和銀等材料。

目前中國(guó)已經(jīng)在太空中開(kāi)發(fā)出了新型納米材料、高溫合金、紅外探測(cè)材料、磁性半導(dǎo)體、高性能熱電半導(dǎo)體、單晶合金、新型金屬基復(fù)合材料，等等。這些材料都具有潛在應(yīng)用價(jià)值。例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片要采用單晶合金，它研發(fā)難度大，研發(fā)流程復(fù)雜、周期長(zhǎng)。正是基于這樣的情況，中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片一直存在技術(shù)瓶頸?！疤鞂m二號(hào)”和未來(lái)的中國(guó)空間站，有望通過(guò)開(kāi)發(fā)新材料突破這一技術(shù)瓶頸。

在地球上生產(chǎn)一些重要的工業(yè)元件，需要克服諸多環(huán)境因素的影響，其中重力是個(gè)很重要的因素。例如中國(guó)在研發(fā)直升機(jī)的過(guò)程中，為了開(kāi)發(fā)主減速器上的一個(gè)合金齒輪，耗時(shí)18個(gè)月，匯集全國(guó)數(shù)十家工廠進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，最終才制造出合格的齒輪樣品。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片更是一種生產(chǎn)難度極大的產(chǎn)品，它需要至少5種不同的基礎(chǔ)加工方法、100多項(xiàng)流程，還有上千項(xiàng)注意事項(xiàng)。如果能夠在太空中開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)，未來(lái)形成大規(guī)模生產(chǎn)線是有可能的。單晶合金僅用于制造單晶葉片，這樣的葉片一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)只需要100—200片，總重不超過(guò)50千克。在成熟的空天往返運(yùn)輸系統(tǒng)的支持下，在太空中生產(chǎn)然后運(yùn)回地球是可以實(shí)現(xiàn)的。

具有新用途的特殊植物

在太空中，植物生長(zhǎng)所需的水和肥料相對(duì)較少，而生長(zhǎng)速度是地球上的三倍，還可以使一些植物產(chǎn)生新的特性。太空植物實(shí)驗(yàn)室有助于研究如何在微重力環(huán)境下提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，并培育具有新用途的特殊植物。

在太空中培育植物的靈感來(lái)自于美國(guó)航天飛機(jī)的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。航天飛機(jī)曾攜帶玫瑰花登上太空，研究人員和相關(guān)企業(yè)在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一種新的玫瑰香料。玫瑰花順利地在航天飛機(jī)中生長(zhǎng)起來(lái)，宇航員提取了玫瑰花揮發(fā)的香油。研究表明，“太空玫瑰”的香味揮發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)，而且非常獨(dú)特。日本資生堂化妝品公司復(fù)制了這種“太空玫瑰”產(chǎn)生的氣味分子，開(kāi)發(fā)出著名的“Zen”系列香水。

目前，宇航員已經(jīng)在國(guó)際空間站的植物實(shí)驗(yàn)室中培育出了第一朵花——漂亮的百日菊。從外表上看，其顏色和形狀與地球上生長(zhǎng)的品種差異不大，但生長(zhǎng)周期（即花期）較長(zhǎng)，而且它的香味更加宜人。

在太空中培育植物所面臨的挑戰(zhàn)不小。首先，微重力環(huán)境會(huì)對(duì)植物的根產(chǎn)生影響;其次，太空中不具備植物生長(zhǎng)所需的條件：沒(méi)有光照，濕度大，空氣流動(dòng)不暢以及容易受到宇宙射線的影響，等等。那么，宇航員是怎么做到的呢？他們用針管給植物根部的培養(yǎng)基補(bǔ)水;采用紅、藍(lán)、綠LED燈光模擬植物生長(zhǎng)所需要的陽(yáng)光，比如在百日菊的生長(zhǎng)的環(huán)境中，LED燈會(huì)保持10小時(shí)開(kāi)、14小時(shí)關(guān)，模擬地球上的光照條件;利用特殊的設(shè)備創(chuàng)造合適的濕度和空氣流通環(huán)境。

太空中的發(fā)電站

在太空實(shí)驗(yàn)的“計(jì)劃表”中，還有一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)很快將被提上日程——太空發(fā)電。

美國(guó)“亞特蘭蒂斯號(hào)”和“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)都曾進(jìn)行過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)——在太空中釋放衛(wèi)星，衛(wèi)星通過(guò)一根21千米長(zhǎng)的繩索連接著航天飛機(jī)，航天飛機(jī)拖曳著衛(wèi)星在太空軌道上飛行。這一實(shí)驗(yàn)被稱為“繩系衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)”，是科學(xué)家們受風(fēng)箏的啟發(fā)而設(shè)計(jì)的，其原理是當(dāng)繩索經(jīng)過(guò)地球電離層時(shí)，會(huì)切割磁場(chǎng)的磁力線，電離層中的電子聚集到帶正電的衛(wèi)星表面，并沿著導(dǎo)電的繩索傳到作為負(fù)極的飛行器上。然后，飛行器上的電子槍把電子發(fā)射回電離層，從而形成閉合電路，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在太空中發(fā)電。

可惜的是，航天飛機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)并不算成功。由于一個(gè)螺栓安裝不當(dāng)，繩索被卡住，“亞特蘭蒂斯號(hào)”只釋放了256米長(zhǎng)的繩索。幸運(yùn)的是，衛(wèi)星完好無(wú)損地回收到航天飛機(jī)艙內(nèi)?！案鐐惐葋喬?hào)”把衛(wèi)星放得更遠(yuǎn)，但當(dāng)衛(wèi)星距航天飛機(jī)達(dá)19.7千米時(shí)，繩索突然斷裂，衛(wèi)星連著斷繩飛向了更高的軌道，脫離了控制。

雖然兩次實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有成功，但實(shí)驗(yàn)的目的部分達(dá)成——證實(shí)了繩系衛(wèi)星確實(shí)能產(chǎn)生電能。第一次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電壓為40伏;第二次實(shí)驗(yàn)，在繩索斷裂之前，衛(wèi)星產(chǎn)生了3000伏的電壓。

空間站的穩(wěn)定性高于航天飛機(jī)，以空間站為基站的繩系衛(wèi)星有望產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，從而實(shí)現(xiàn)在太空中發(fā)電。這種電能可以為空間站和其他飛行器服務(wù)，也可以通過(guò)特殊的途徑傳回地球，從而為地面上的設(shè)備提供能量。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com