精心打扮的宇宙飞船会穿什么

今年二月，的天鹅座NG-17这艘宇宙飞船将从弗吉尼亚州的美国宇航局瓦勒普斯发射，执行向国际空间站的例行补给任务。在数吨的标准船员用品中，太空行走设备、计算机硬件和研究实验将是一个不寻常的包裹:一对嵌入冲击和振动传感器的电子纺织品样本。亚博排列五投注网站飞船抵达国际空间站后不久，一个机械臂将把样本安装到阿尔法空间的外部材料国际空间站实验(MISSE)设施地球上的控制室操作员将为这些样本供电。

在接下来的六个月里，我们的团队将在太空中对装载传感器的电子织物进行首次操作测试，在传感器忍受近地轨道恶劣天气的情况下实时收集数据。亚博排列五投注网站我们还希望微小的灰尘或碎片，它们的传播速度至少比声音快一个数量级，能够撞击织物并触发传感器。亚博排列五投注网站

我们的最终目标是使用这种智能电子纺织品来研究宇宙尘埃，其中一些尘埃来自星际甚至星际。想象一下，如果覆盖在航天器上的保护织物可以兼做天体物理实验，但不会增加过多的质量、体积或功率要求。如果这种智能皮肤也能测量轨道空间碎片和雷达无法追踪的微流星体造成的累积损害呢?加压宇航服里的传感器纺织品能给宇航员一种触感吗，就好像织物是他们自己的皮肤一样?在每种情况下，对振动和电荷敏感的电子织物都可以作为一项基础技术。

工程织物已经在地球上发挥着至关重要的作用。由合成聚合物制成的土工布被深埋在地下，以加强土地堤防。手术网在侵入性医疗过程中加固组织和骨骼。

在太空中，国际空间站的外墙被一种保护性工程纺织品包裹着，使空间站呈现白色。这种织物被称为“贝塔布”，覆盖在空间站的金属外壳上，保护航天器免受过热和侵蚀。贝塔布也可以在阿波罗时代宇航服的外部找到毕格罗航空航天下一代充气栖息地。在有可能从本质上改变人体本身之前，像这样的弹性纺织品将继续作为一个关键的边界——第二层皮肤——保护人类探险家和宇宙飞船免受太空极端环境的影响。

现在是时候给这个皮肤带来一些智慧了。

我们的实验室,麻省理工学院的响应环境小组，已经在将分布式传感器网络嵌入柔性基板上工作了十多年。2018年，我们深入开发了一个遥远的概念抓住小行星通过一个电子网，这将允许一个由数百或数千个微型机器人组成的网络在小行星表面爬行，因为它们可以描述小行星的物质。这项技术令人好奇，但不太可能很快投入使用。在参观我们实验室期间，Hajime矢野日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency)空间与宇宙航行科学研究所(Institute of Space and astronauscience)的行星科学家，他提出了一种近期的可能性:把长时间航天器上使用的贝塔布毯变成科学实验。由此开始了合作，到目前为止已经进行了多轮原型设计和地面测试，并进行了两次太空实验。

其中一项测试是即将在天鹅座NG-17上进行的发射，由美国国防部资助国际空间站国家实验室．随着国际空间站围绕地球运行，当地空间环境发生变化，我们将用已知的激励来触发传感器，以测量它们的灵敏度如何随时间变化。亚博排列五投注网站同时，我们将进行阻抗测量，这将让我们窥探到纤维的内部电特性。Beta面料保护能力的任何变化都会被温度传感器检测到。亚博排列五投注网站如果系统按设计运行，我们甚至可以在织物的10 × 10厘米区域内检测到多达20个微流星体撞击。触发系统将实时标记任何有趣的数据流到地球。

第二个太空实验已经在进行中。一年多来，我们更广泛的智能面料样本被悄悄地藏在国际空间站墙壁的另一部分空间双相障碍的暴露实验扶手连接机构(ExHAM)设施。在这个实验中，由麻省理工学院媒体实验室太空探索计划在美国，样本没有通电。相反，我们正在监测它们暴露在太空环境中的情况，这对材料来说是很困难的。它们经受着极端冷热、辐射和物质侵蚀性原子氧的反复循环。通过实时录像我们一直在和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)在美国，我们已经看到样品有预期的变色迹象。一旦样本在1月底通过SpaceX CRS-24火箭，我们会对织物的传感器性能进行更全面的评估。

通过演示如何巧妙地将传感器集成到关键任务子系统中，我们希望鼓励广泛采用电子纺织品作为科学亚博排列五投注网站仪器。

电子纺织品在太空中有了一个幸运的开端。在20世纪60年代，阿波罗制导计算机的软件被存储在一种叫做核心绳存储器．导线通过导电环表示1，绕环表示0，实现了72千字节/立方英尺(或约2500千字节/立方米)的存储密度。

大约在同一时期，一家名为编织电子(weave Electronics)的公司(现在是苹果公司的一部分柯林斯航空)开始开发面料电路板原型，这些原型被认为远远领先于他们的时代。在计算机领域，编织织物电路和核心绳存储器曾一度与硅半导体技术竞争。

电子面料随后陷入了长期的停滞，直到20世纪90年代人们对可穿戴技术的兴趣使这一想法重新出现。我们的团队开创了一些早期的原型，例如，在90年代末，与李维斯(Levi’s)合作，设计了一款牛仔夹克绣花迷笛键盘．从那以后，研究人员和公司在织物中创造了大量的传感技术，特别是针对与健康相关的可穿戴设备，比如戴在皮肤上的柔性传感器，可以监测你的健康状况亚博排列五投注网站通过你的汗水，心率和体温．

最近，复杂的光纤传感器进一步推动了电子纺织品的性能和功能。亚博排列五投注网站我们的合作者Fibers@MIT例如，该集团使用一种称为热拉伸的制造技术，在这种技术中，一厘米厚的材料三明治被加热并拉伸到亚毫米厚度，就像拉五彩太妃糖一样。令人难以置信的是，由此产生的纤维的内部结构仍然高度精确，产生了可以直接织进织物中的振动、光和温度传感器等功能设备。亚博排列五投注网站

但这一令人兴奋的进展还没有应用到太空纺织品上。今天的太空服和以前的太空服没有太大区别艾伦·谢泼德穿着1961年在自由7号里面最近的宇航服设计专注于提高宇航员的机动性和温度调节。他们可能有兼容触摸屏的指尖，但这是最复杂的功能。

与此同时，贝塔布以目前的形式在太空栖息地上使用了半个多世纪。针对刚性复合材料，已经开发了少量的织物天线和光纤应变传感器。亚博排列五投注网站但在为我们在太空中使用的纺织品添加电子传感功能方面，我们做得很少。

为了开始这项研究，我们的团队已经解决了三个领域:我们已经建立了织物传感器，我们已经与专业设施合作，以获得材料对冲击敏感性的基线亚博排列五投注网站，我们已经设计了仪器来测试这些织物在太空中的性能。

我们从升级Beta布开始，这是一种由柔性玻璃纤维细丝制成的聚四氟乙烯浸渍织物，编织得如此密集，以至于这种材料感觉几乎像一张厚纸。在这层保护层上，我们想增加探测宇宙尘埃微小亚毫米或微米级撞击的能力。这些微粒移动得很快，速度可达每秒50公里，平均速度约为每秒10公里。一个10微米的铁主导粒子以这样的速度运动，包含大约75微焦耳的动能。它的能量并不大，但当它集中在一个小的撞击区域时，仍然可以产生相当大的冲击力。研究这种撞击的运动学和空间分布可以让科学家深入了解宇宙尘埃的组成和起源。更重要的是，这些撞击会对航天器造成重大损坏，所以我们想测量它们的频率和能量。

什么样的织物传感器能灵敏到从这些微小的撞亚博排列五投注网站击中捕捉到信号呢?早期，我们决定使用压电纤维。压电材料在受到机械变形时产生表面电荷。当压电层夹在两个电极之间时，它就形成了一个传感器，可以将机械振动转化为电流。压电式冲击传感器以前曾用于航天器，但从未作亚博排列五投注网站为织物或分散纤维的一部分。

压电材料的主要要求之一是材料内部的电偶极子必须全部排列起来，以便电荷积累。为了永久地排列偶极子——这一过程被称为极点——我们必须为每毫米厚度施加大约100千伏的大量电场。

早期，我们尝试将裸聚偏二氟乙烯纱织成贝塔布。这种单一材料的纱线具有与服装纤维一样精细和柔韧的优点，而且还具有抗辐射和耐磨性。此外，纤维拉伸过程创造了一个晶体相结构，鼓励极化。然而，在织物上施加强大的电压，会使多孔材料中的任何空气变得导电，在材料上产生微型闪电，破坏了极化过程。我们尝试了一系列的技巧来减少电弧，我们测试了应用在织物上的压电油墨涂层。

想象一下，如果覆盖在航天器上的保护织物可以兼做天体物理实验，但不会增加过多的质量、体积或功率要求。

最终，我们确定多材料纤维传感器比单材料纱线更可取，因为偶极子对准只需要在每个纤维传感器内部非常微小和精确的距离上发生，亚博排列五投注网站而不是在织物的厚度或织物涂层的不均匀表面上发生。我们选择了两种不同的光纤传感器。亚博排列五投注网站其中一种纤维是由Fibers@MIT设计的压电陶瓷纳米复合纤维，另一种是我们从商业压电布线中收获的聚合物，然后经过修改，使其适合于织物集成。我们在这些光纤传感器上涂上了弹性导电墨水，以亚博排列五投注网站及一种白色环氧树脂，可以保持纤维凉爽并抗氧化。

为了生产我们的面料，我们与太空纺织品制造商合作JPS复合材料该公司帮助我们将两种类型的压电纤维在织物上间隔地插入，并确保我们的Beta布料仍然符合NASA的规格。我们还与罗德岛设计学院合作研究面料制造。

麻省理工学院士兵纳米技术研究所激光诱导粒子撞击测试设施中的绿色激光将粒子加速到超音速。鲍勃·奥康纳

为了测试织物的敏感性，我们一直在使用由麻省理工学院Keith Nelson团队设计的激光诱导粒子撞击测试(LIPIT)平台士兵纳米技术研究所．这种台式设备旨在研究材料对微粒影响的反应，如无针给药和冷喷涂工业涂料。在我们的测试中，我们使用平台的高速粒子来模拟太空尘埃。

在一个典型的实验中，我们将几微米到几十微米不等的钢颗粒铺在玻璃基板上的金膜上，我们称之为发射台。每次拍摄时，激光脉冲会使黄金薄膜蒸发，对颗粒施加冲力，并将它们加速到每秒数百米的速度。高速摄像机每隔几纳秒就能捕捉到黄金颗粒对目标织物样本的影响，相当于每秒数亿帧。

到目前为止，我们不仅能检测到粒子撞击传感器表面时的电信号，还能检测到粒子撞击距离传感器1或2厘米时的电信号。在一些摄像镜头中，甚至可以看到间接冲击产生的声波沿着织物表面传播，最终到达压电纤维。这一有前景的数据表明，我们可以在织物上放置传感器，仍然能够检测到影响。亚博排列五投注网站

麻省理工学院响应环境小组的朱莉安娜·切斯顿和乔·帕拉迪索以及Fibers@MIT小组的魏延是今年2月启动的智能纺织品实验背后团队的成员。鲍勃·奥康纳

现在，我们正在努力确定这种结构有多敏感——也就是说，它可以记录什么范围的粒子质量和速度。我们很快计划在范德格拉夫加速器上测试我们的织物，它可以推动直径几微米的粒子达到每秒几十公里的速度，这更符合星际尘埃的速度。

除了压电，我们还对检测粒子高速撞击织物时形成的电荷流感兴趣。这些羽状物包含了撞击体组成元素的线索。我们在国际空间站上的一个样品是由镀银Vectran纤维制成的导电合成毛皮。Vectran通常用于加固电缆、羽毛球线和自行车轮胎，也是充气航天器的关键部件。在我们的案例中，我们像制造地毯或毛皮大衣一样制造它。我们相信这种设计可能非常适合捕捉撞击时喷出的电荷羽流，这可能会使探测器变得更加灵敏。

与此同时，人们的兴趣也在不断增长将传感器纺织品移植到宇航服上。我们组有几个成员工作过关于一个初步概念它使用含有振动、压力、接近度和触摸传感器的织物来区分手套、金属设备和岩石地形——正是穿着加压服的宇航员会遇到的那种表面。亚博排列五投注网站然后，这些传感器数据被映射到宇航员皮肤上的触觉执行器上，使穿着者能够通过他们的宇航服生动地感知周围的环境。

电路板的特写，将用于控制MISSE实验中的动力织物传感器。亚博排列五投注网站鲍勃·奥康纳

传感器增强的织物还能如何增强人类与太空环境的接触?对于长时间的任务，在航天器或栖息地居住几个月的探险家会渴望体验的多样性。织物和薄膜传感器可以检测航天器或栖息地外部亚博排列五投注网站的空间天气，然后使用这些数据来改变内部的照明和温度。类似的系统甚至可以模拟某些外部条件。想象一下，在栖息地的墙壁内感受到火星的微风，或者通过宇航服感受到爱人的触摸。

为了设计一种能够在极端条件下生存的织物，我们预计将试验具有固有热和辐射弹性的压电材料，如氮化硼纳米管，以及具有更好的固有噪声耐受性的设备，如基于玻璃纤维的传感器。亚博排列五投注网站我们还设想建立一个系统，可以智能地适应当地条件和任务优先级，通过自我调节采样率、信号增益等。

空间弹性电子织物可能仍处于萌芽阶段，但这项工作是深度交叉的。纺织品设计师、材料科学家、天体物理学家、航天工程师、电气工程师、艺术家、行星科学家和宇宙学家都将在重新想象未来航天器和宇航服的外部皮肤方面发挥作用。这个皮肤，人的边界和地方的界限，是成熟的房地产使用。

本文发表在2021年12月的印刷版上，题为“穿着聪明的飞船”。