天天观速讯丨在太空，谁帮我们做实验？解密科学手套箱

2022-08-03 06:55:43 来源：科普中国

问天实验舱的成功发射，并与天和核心舱成功对接，为天宫空间站送来了许多科学实验柜，以开展太空实验，进而解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。在这些实验柜中，搭载了一个可视、可测、可控、高精度、可更换的科学手套箱。

科学手套箱示意图

这个手套箱是用来做什么的？对太空科学研究有什么帮助？请任务组的相关专家来为大家讲解吧。

(资料图)

不是所有手套都有资格上天

手套箱这个名字初听起来有些奇怪，大衣柜是用来装衣服的，而手套箱是用来装手套的？航天员在空间站中用那么多手套做什么呢？

在问天实验舱的各个实验柜里，都搭载了经过精妙设计制造出来的各类实验模块。如果在做实验的过程中用手直接触碰，不但可能污染实验仪器，还可能造成实验参数的变动，破坏实验的科学性。

因此，实验模块必须与空间站里的空气隔离开来，用来隔离实验模块的装置，就是我们所说的手套箱。手套箱上有四个特殊的手套，供航天员进行手套箱里的操作。箱上的可视窗口和检测设备，则可以让航天员实施看到箱中的状态变化，为实验开展提供数据支持。

手套箱里确实有手套不假，但不是我们平时所接触的普通手套。这些天上的手套有什么特殊之处？

首先，航天中所有材料对于阻燃性有很高的要求，因此制造手套的也必须是非常不易燃烧的材质。我们日常所见到的手套，无论是棉麻还是化纤，都很容易燃烧，这一条就“海选”掉了绝大部分候选手套。此外，在常规的默认的科学实验的情况下，航天员是不能够用手直接进行操作的，这对手套的触感要求很高，操作的灵活性也是要考虑的因素，因此不易燃烧的金属材质也就基本没戏了。最后，无论金属和非金属材料，要有很强的抑制霉菌生长的能力，否则将会污染手套箱导致实验失败。因此，想要开发出一种完全符合上述三个条件的手套材料，需要投入大量的心血和时间。

科学手套箱示意图

除此之外，手套箱还设计了特殊的快速更换手套功能，使得航天员在更换手套的同时，还能够维持手套箱内部与外部的隔离，从而防止了双向污染。

手套箱里的机械臂：手抖星人的福音

手套箱中还配备了灵巧的机械臂，可以进行在轨高精度科学操作。它面向于我们的空间生物、生命科学和航天医学等方面的空间交叉式的科学实验平台，可以为科学实验提供一个密闭、洁净的操作空间。这一机械臂可以实现0.5毫米的操作精度，真不愧是手抖星人的福音啊！有了这样的机械臂，航天员就能更加精确地完成实验操作了。

手套箱中的机械臂示意图

上面这个图还不是机械臂的完全体。在手套箱中还配备有显微操作系统，可以完成细胞核的提取和注射这样非常精细的操作。该系统可以实现5微米的操作精度，也就是一根头发丝直径的十分之一的长度。

机械臂就是航天员手臂的延伸，在确保航天员不接触实验装置的前提下，代替航天员的双手，进行实验操作。它可以在箱体内进行批量式搬运，例如取放培养皿；进行在轨细胞相关研究，例如进行显微注射等；还可以发出紫外线，对手套箱内进行灭菌，进行彻底完全自动清洁。

“手”通天，“眼”也要通天

手套箱上还有大量的传感器，实时记录着手套箱里各处的电压信号、电流信号，以及温度、湿度、光照、风力等信息，反映着手套箱或实验装置的工作状态。

传感器示意图

解读这些信息可能超出了航天员的专业知识范围，也会占用他们的工作时间。因此，手套箱上的所有传感器信息都可以实时地传输到地面实验室，由地面科学家负责解读和调整，并且可以从地面发出指令，直接控制手套箱的参数。

也就是说，除了航天员，地面上的科学家也能够实时地“看”到手套箱，通过各种传感器信号来了解其工作状态，足不出户，就可以在空间站里开展科学实验。而手套箱上的多种调节功能也可以充分满足科学实验所需要的不同参数，温度、湿度、光照等都可以精细调整，让手套箱真正成为开放、自由的科学实验平台。

您辛苦了！

科学手套箱是航天员和科学家的“手”和“眼”，帮助他们完成科学实验，维护实验模块不受污染，更能够进行精度非常高的细微操作。为了完成手套箱的设计与制作，中科院沈阳自动化所的负责团队从2015年起就开始了漫长而艰苦的攻关，节假日的加班已经是团队常态，最多一次甚至连续工作50多个小时。但是没有人因为困难而退缩，因为大家心里都想着：“已经有这么多人为此付出了这么多艰辛，不能让它出问题，砸在自己手里！”

航天科研人员工作图片

也许，这就是航天精神最朴实的缩影吧！在这个系列的结尾，让我们在感叹我国科学技术日新月异发展的同时，也向那些默默战斗在空天报国第一线的科学工作人员致以最高的敬意吧。

本文作者牟福朋，根据对中国科学院沈阳自动化研究所刘晓源老师的采访撰写而成

文章首发于科学大院

关键词：科学实验工作状态