在太空，誰幫我們做實驗？解密科學(xué)手套箱

問天實驗艙的成功發(fā)射，并與天和核心艙成功對接，為天宮空間站送來了許多科學(xué)實驗柜，以開展太空實驗，進而解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。在這些實驗柜中，搭載了一個可視、可測、可控、高精度、可更換的科學(xué)手套箱。

科學(xué)手套箱示意圖

這個手套箱是用來做什么的？對太空科學(xué)研究有什么幫助？請任務(wù)組的相關(guān)專家來為大家講解吧。

不是所有手套都有資格上天

手套箱這個名字初聽起來有些奇怪，大衣柜是用來裝衣服的，而手套箱是用來裝手套的？航天員在空間站中用那么多手套做什么呢？

在問天實驗艙的各個實驗柜里，都搭載了經(jīng)過精妙設(shè)計制造出來的各類實驗?zāi)K。如果在做實驗的過程中用手直接觸碰，不但可能污染實驗儀器，還可能造成實驗參數(shù)的變動，破壞實驗的科學(xué)性。

因此，實驗?zāi)K必須與空間站里的空氣隔離開來，用來隔離實驗?zāi)K的裝置，就是我們所說的手套箱。手套箱上有四個特殊的手套，供航天員進行手套箱里的操作。箱上的可視窗口和檢測設(shè)備，則可以讓航天員實施看到箱中的狀態(tài)變化，為實驗開展提供數(shù)據(jù)支持。

手套箱里確實有手套不假，但不是我們平時所接觸的普通手套。這些天上的手套有什么特殊之處？

首先，航天中所有材料對于阻燃性有很高的要求，因此制造手套的也必須是非常不易燃燒的材質(zhì)。我們?nèi)粘Ｋ姷降氖痔?，無論是棉麻還是化纖，都很容易燃燒，這一條就“海選”掉了絕大部分候選手套。此外，在常規(guī)的默認的科學(xué)實驗的情況下，航天員是不能夠用手直接進行操作的，這對手套的觸感要求很高，操作的靈活性也是要考慮的因素，因此不易燃燒的金屬材質(zhì)也就基本沒戲了。最后，無論金屬和非金屬材料，要有很強的抑制霉菌生長的能力，否則將會污染手套箱導(dǎo)致實驗失敗。因此，想要開發(fā)出一種完全符合上述三個條件的手套材料，需要投入大量的心血和時間。

科學(xué)手套箱示意圖

除此之外，手套箱還設(shè)計了特殊的快速更換手套功能，使得航天員在更換手套的同時，還能夠維持手套箱內(nèi)部與外部的隔離，從而防止了雙向污染。

手套箱里的機械臂：手抖星人的福音

手套箱中還配備了靈巧的機械臂，可以進行在軌高精度科學(xué)操作。它面向于我們的空間生物、生命科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)等方面的空間交叉式的科學(xué)實驗平臺，可以為科學(xué)實驗提供一個密閉、潔凈的操作空間。這一機械臂可以實現(xiàn)0.5毫米的操作精度，真不愧是手抖星人的福音??！有了這樣的機械臂，航天員就能更加精確地完成實驗操作了。

手套箱中的機械臂示意圖

上面這個圖還不是機械臂的完全體。在手套箱中還配備有顯微操作系統(tǒng)，可以完成細胞核的提取和注射這樣非常精細的操作。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)5微米的操作精度，也就是一根頭發(fā)絲直徑的十分之一的長度。

機械臂就是航天員手臂的延伸，在確保航天員不接觸實驗裝置的前提下，代替航天員的雙手，進行實驗操作。它可以在箱體內(nèi)進行批量式搬運，例如取放培養(yǎng)皿；進行在軌細胞相關(guān)研究，例如進行顯微注射等；還可以發(fā)出紫外線，對手套箱內(nèi)進行滅菌，進行徹底完全自動清潔。

“手”通天，“眼”也要通天

手套箱上還有大量的傳感器，實時記錄著手套箱里各處的電壓信號、電流信號，以及溫度、濕度、光照、風(fēng)力等信息，反映著手套箱或?qū)嶒炑b置的工作狀態(tài)。

傳感器示意圖

解讀這些信息可能超出了航天員的專業(yè)知識范圍，也會占用他們的工作時間。因此，手套箱上的所有傳感器信息都可以實時地傳輸?shù)降孛鎸嶒炇遥傻孛婵茖W(xué)家負責(zé)解讀和調(diào)整，并且可以從地面發(fā)出指令，直接控制手套箱的參數(shù)。

也就是說，除了航天員，地面上的科學(xué)家也能夠?qū)崟r地“看”到手套箱，通過各種傳感器信號來了解其工作狀態(tài)，足不出戶，就可以在空間站里開展科學(xué)實驗。而手套箱上的多種調(diào)節(jié)功能也可以充分滿足科學(xué)實驗所需要的不同參數(shù)，溫度、濕度、光照等都可以精細調(diào)整，讓手套箱真正成為開放、自由的科學(xué)實驗平臺。

您辛苦了！

科學(xué)手套箱是航天員和科學(xué)家的“手”和“眼”，幫助他們完成科學(xué)實驗，維護實驗?zāi)K不受污染，更能夠進行精度非常高的細微操作。為了完成手套箱的設(shè)計與制作，中科院沈陽自動化所的負責(zé)團隊從2015年起就開始了漫長而艱苦的攻關(guān)，節(jié)假日的加班已經(jīng)是團隊常態(tài)，最多一次甚至連續(xù)工作50多個小時。但是沒有人因為困難而退縮，因為大家心里都想著：“已經(jīng)有這么多人為此付出了這么多艱辛，不能讓它出問題，砸在自己手里！”

航天科研人員工作圖片

也許，這就是航天精神最樸實的縮影吧！在這個系列的結(jié)尾，讓我們在感嘆我國科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的同時，也向那些默默戰(zhàn)斗在空天報國第一線的科學(xué)工作人員致以最高的敬意吧。

本文作者牟福朋，根據(jù)對中國科學(xué)院沈陽自動化研究所劉曉源老師的采訪撰寫而成

文章首發(fā)于科學(xué)大院