NASA航天技術(shù)轉(zhuǎn)移案例（二）

案例1 無(wú)重力舉重練肌肉

1996年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的航天員珊農(nóng)·露西德（Shannon Lucid）在俄羅斯和平號(hào)（Mir）空間站停留了188天，期間花了數(shù)百小時(shí)進(jìn)行鍛煉。當(dāng)時(shí)，由于肌肉和骨密度的流失，航天員在微重力下長(zhǎng)時(shí)間停留后被帶離航天器是正常的。1996年9月27日，當(dāng)她從亞特蘭蒂斯號(hào)（Atlantis）航天飛機(jī)出艙時(shí)，基本上是在沒(méi)有幫助的情況下走出來(lái)的。盡管如此，露西德還是在太空中流失了肌肉質(zhì)量和骨骼密度，走路搖搖晃晃。NASA的醫(yī)務(wù)人員知道他們必須為航天員找到一種更好的方法，讓他們?cè)诟L(zhǎng)的任務(wù)中保持健康。1991-2001年，擔(dān)任約翰遜航天中心（JSC）醫(yī)療行動(dòng)組負(fù)責(zé)人的羅杰·比利卡（Roger Billica）回憶道：“當(dāng)時(shí)沒(méi)有一個(gè)好的解決方案?！北壤捌鋱F(tuán)隊(duì)決定呼吁一下，采取對(duì)策來(lái)尋求一個(gè)解決方案。

就是這個(gè)呼吁引起了發(fā)明家保羅·弗朗西斯（Paul Francis）的注意。弗朗西斯曾設(shè)計(jì)了一種主要采用橡膠彈性體的零件，并將其發(fā)展成螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧，將其命名為SpiraFlex阻力技術(shù)（Spinoff，2001）。弗朗西斯聯(lián)系了比利卡，向NASA的醫(yī)務(wù)人員、研究人員和航天員展示了SpiraFlex后，最終贏得了這個(gè)機(jī)會(huì)。弗朗西斯的公司與洛馬公司和懷爾實(shí)驗(yàn)室（Wyle Labs）公司簽訂合同，開(kāi)發(fā)新的NASA設(shè)備，該設(shè)備被稱(chēng)為間斷性抗阻力鍛煉裝置（IRED）。NASA的生理學(xué)家邁克爾·拉普利（Michael Rapley）與弗朗西斯一起在IRED裝置上進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)。直到2009年IRED才被更換，當(dāng)時(shí)高級(jí)抗阻鍛煉裝置（ARED）被送到“國(guó)際空間站”，這兩個(gè)裝置共存了大約1年時(shí)間。

在與NASA合作建立初始設(shè)備后，弗朗西斯獲得了該技術(shù)的附加專(zhuān)利，并將其授權(quán)給美國(guó)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)2億美元的銷(xiāo)售額。

案例2 “詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”的創(chuàng)新技術(shù)提高了眼科手術(shù)的速度和精度

研制中的“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST）將為人類(lèi)尋找宇宙中形成的第一個(gè)星系。建造這樣一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡顯然是項(xiàng)艱巨的任務(wù)，特別是需要制造大型鏡片。主鏡組裝起來(lái)之后，直徑大約有兩層樓高，由18片獨(dú)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(cè)量、磨、拋光和檢測(cè)，然后反復(fù)實(shí)施這個(gè)過(guò)程，直到反射鏡符合要求，其中研磨工序就可能耗時(shí)數(shù)年之久。

在拋光工序中，NASA把合同發(fā)包給了諾格公司（Northrop Grumman）和鮑爾公司（PCC），后者又與L3技術(shù)公司簽署了分包合同。L3技術(shù)公司與WaveFront科學(xué)公司簽訂了合同，開(kāi)發(fā)一種測(cè)量反射鏡拋光效果的系統(tǒng)。這項(xiàng)測(cè)量可以在研磨后的一天之內(nèi)實(shí)施，然后給出鏡面的詳細(xì)圖樣，為下一步研磨提供指導(dǎo)。對(duì)NASA來(lái)說(shuō)，這種新的測(cè)試技術(shù)縮短了制造高質(zhì)量主鏡片的時(shí)間、減少了造價(jià)。

這項(xiàng)創(chuàng)新為研究者和醫(yī)生們提供了一種更快、更精確的手段，來(lái)測(cè)量復(fù)雜的表面，并可以用在不同類(lèi)型的透鏡上，如人類(lèi)的眼睛。為JWST開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)可以為準(zhǔn)分子激光原地角膜消除術(shù)（也就是近視眼手術(shù)）提供新的手段。WaveFront科學(xué)公司利用JWST的技術(shù)轉(zhuǎn)移，研制了一種為眼科醫(yī)生設(shè)計(jì)的名為“全眼科分析系統(tǒng)”的產(chǎn)品，測(cè)量速度比此前的類(lèi)似系統(tǒng)快了21倍?！叭劭品治鱿到y(tǒng)”可以對(duì)人類(lèi)的眼睛進(jìn)行詳細(xì)測(cè)繪，支持對(duì)白內(nèi)障、圓錐角膜（造成視力下降的一種眼球狀況）和眼球移動(dòng)進(jìn)行研究。這是美國(guó)乃至全球眼科醫(yī)生都需要的手段。

2007年，WaveFront科學(xué)公司被先進(jìn)醫(yī)療光學(xué)公司（Advanced Medical Optics）收購(gòu)，后者進(jìn)一步改進(jìn)了“全眼科分析系統(tǒng)”的技術(shù)。2年后，先進(jìn)醫(yī)療光學(xué)公司又被阿伯特實(shí)驗(yàn)室公司（Abbott Laboratories）收購(gòu)，更名為阿伯特醫(yī)療光學(xué)公司（Abbott Medical Optics）。如今，這家公司在視力矯正領(lǐng)域處在領(lǐng)先地位，而“全眼科分析系統(tǒng)”也改名為波前像差儀（iDesign Advanced Wave Scan Studio），是該公司激光準(zhǔn)分子近視眼手術(shù)解決方案的重要組成部分。

案例3 “卡西尼”探測(cè)器的膠帶

20世紀(jì)90年代中期，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的工作人員研制了“卡西尼”（Cassini）土星探測(cè)器，這是NASA和歐洲航天局（ESA）、意大利航天局（ASI）聯(lián)合研制的項(xiàng)目，在當(dāng)時(shí)的投資就達(dá)到了14億美元。后來(lái)它進(jìn)入土星軌道工作了11年。“卡西尼”不但自身攜帶了12臺(tái)科學(xué)儀器，所搭載的“惠更斯”（Huygens）著陸器上還有6臺(tái)科學(xué)儀器。為了讓這些設(shè)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(shè)備包裹起來(lái)。

為了讓星衣服帖地包裹在設(shè)備上，需要特殊的膠帶。但是當(dāng)時(shí)JPL所能找到的膠帶都無(wú)法滿(mǎn)足“卡西尼”的各種光學(xué)特性。負(fù)責(zé)星衣的JPL專(zhuān)家馬克·杜蘭（Mark Duran）向盾膜公司（Dunmore）尋求解決方案。根據(jù)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(qiáng)型膠帶后，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中只需要一套星衣就夠了。

在地面應(yīng)用中，多層金屬鍍層聚酰亞胺絕熱材料可用于低溫物質(zhì)運(yùn)輸，例如液氫、液氧和液化天然氣。在其他需要低溫的環(huán)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(lái)制造電路板，可以耐受焊接時(shí)產(chǎn)生的高熱。由于金屬鍍膜還能用來(lái)放空靜電，以防對(duì)電子元器件可能造成的損害。于是，Dunmore公司開(kāi)始為地球上的電子產(chǎn)品大量生產(chǎn)鍍膜聚酰亞胺薄膜。為“卡西尼”探測(cè)器所研制的膠帶同樣可以用于消費(fèi)電子設(shè)備。

商業(yè)航天企業(yè)包括太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、軌道科學(xué)公司（ORB）、維珍銀河公司（Virgin Galactic）和藍(lán)色起源公司（Blue Origin），都向這家公司采購(gòu)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(shù)人都樂(lè)于享受冰鎮(zhèn)飲料，而不會(huì)去考慮杯子里發(fā)生的物理變化。但是，當(dāng)飲料中的冰塊融化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)大的相變反應(yīng)。馬歇爾航天飛行中心材料科學(xué)家拉吉·考爾（Raj Kaul）指出，相變的神奇之處在于溫度恰好在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處保持穩(wěn)定。NASA開(kāi)發(fā)了一套不同熔點(diǎn)的材料，最初計(jì)劃將這些材料用于航天服中，但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)當(dāng)人體熱量積聚在密閉的航天服中時(shí)，會(huì)熱得令人感覺(jué)很不舒服。

21世紀(jì)初，考爾開(kāi)始研究使用相變材料保護(hù)航天器（特別是航天飛機(jī)）外部的方法。當(dāng)時(shí)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(hù)材料，其基本上是軟木和環(huán)氧樹(shù)脂的混合物。軟木會(huì)燃燒，燃燒過(guò)程也會(huì)帶走熱量，還會(huì)燒蝕涂層，造成新材料暴露出來(lái)。因此，考爾決定研究一種新的不會(huì)燒蝕的保護(hù)涂層，并且在涂層下面仍然能夠保持安全的溫度。他最終開(kāi)發(fā)出一種被封裝在塑料中的材料，保護(hù)固體火箭助推器不會(huì)因發(fā)射時(shí)的高溫而熔化，同時(shí)相變材料在熔化時(shí)不會(huì)滴落。

這種涂層不僅僅是局限于應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。這項(xiàng)涂層專(zhuān)利很快就被企業(yè)家克里斯·比勒克（Chris Bilec）購(gòu)買(mǎi)了?？紶柦ㄗh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(huì)吸收熱量，在夜間就會(huì)釋放熱量，會(huì)使房子更加節(jié)能。而比勒克認(rèn)為很難研制出一種符合專(zhuān)利范圍的住宅涂料，但他已有其他商業(yè)應(yīng)用的想法，包括一種可以隔離飛機(jī)的涂層。

比勒克解釋道，對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)想法是在飛機(jī)的后端涂上一層防止噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱損傷的涂層，比勒克已將樣品送至航空涂料制造商進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，他也關(guān)注到了一家為退伍軍人事務(wù)醫(yī)院制造熱阱的公司。比勒克在研發(fā)中還有另一個(gè)想法，就是發(fā)明一個(gè)無(wú)冰冷卻器，以及更小的午餐和剩菜容器。他說(shuō)：“當(dāng)我看到一些人買(mǎi)啤酒，卻說(shuō)沒(méi)有足夠的空間放冰塊時(shí)，我想到了這個(gè)主意。我覺(jué)得找到了完美的解決方案?！?/p>

案例5 采用NASA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的汽車(chē)座椅

起初，在人類(lèi)用于太空旅行的航天器設(shè)計(jì)中，對(duì)安全性的考慮遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了舒適性。NASA約翰遜航天中心人類(lèi)研究項(xiàng)目經(jīng)理米赫里班·惠特莫爾（Mihriban Whitmore）描述說(shuō)：“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(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，大部分飛行活動(dòng)都是將航天員綁在座椅上進(jìn)行的。”后來(lái)，NASA投入了更多的精力和資源來(lái)了解航天器如何為航天員提供舒適、安全的環(huán)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(xiàn)的姿勢(shì)。

20世紀(jì)80年代，NASA在《人-系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)》（MSIS）中明確并記錄了中性體位的特性。自此，NASA在人體姿態(tài)研究上取得了重大進(jìn)展，包括從“國(guó)際空間站”工作區(qū)座椅到陸地車(chē)輛中汽車(chē)座椅的一切發(fā)展。

2005年，日產(chǎn)汽車(chē)公司（Nissan）美國(guó)辦事處的工程師們將NASA的中性體位研究作為開(kāi)發(fā)日產(chǎn)汽車(chē)新型駕駛座椅的起點(diǎn)。像航天員一樣，汽車(chē)司機(jī)也需要安全舒適，才能夠長(zhǎng)時(shí)間高效地駕駛汽車(chē)。Nissan公司汽車(chē)零部件工程開(kāi)發(fā)部經(jīng)理崛井平浩（Akinari Hirao）解釋說(shuō)：“客戶(hù)對(duì)座椅的典型需求是舒適性，特別是無(wú)疲勞性。這就是我們發(fā)展的動(dòng)力?！?/p>

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(shí)驗(yàn)座椅，用以保持中性體位。結(jié)果表明，座椅支撐了脊柱以及從骨盆到胸部的區(qū)域，并且促進(jìn)了血液循環(huán)。坐在實(shí)驗(yàn)座椅上時(shí)，駕駛員的姿勢(shì)保持接近中性體位，并且在長(zhǎng)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(píng)估了原型座椅在高速公路上的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)駕駛條件。結(jié)果表明，得益于新的座椅姿態(tài)，其與傳統(tǒng)汽車(chē)座椅的疲勞程度相比，駕駛過(guò)程中的體力消耗僅為原來(lái)的50%。

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

這些座椅將會(huì)使經(jīng)歷長(zhǎng)途旅行的駕駛員和乘客感到更加輕松。