NASA太空技术走入民生领域

国外航天 · 2017-2-7 13:44:58

作者：雷蓉博士上海科学院规划研究处　　【编者按】美国航空航天局（NASA）有着无数高冷的尖端科技，并且通过其技术转移计划挖掘出在航空航天之外的商用价值，培育了大批新兴企业。这对我国推进技术成果转化很有借鉴意义。我们将结合NASA的spinoff2017报告，分民生领域和工业领域两期，进行介绍。　　自1958年正式成立以来， NASA的新技术和新产品就一直在改善着人们的日常生活。　　在健康医疗方面，从温度调节面料到牙科成像传感器，为宇航员设计的衣物和传感器演变成保护生命、提高医疗诊断水平的新产品。　　在公共安全领域，每天NASA都在应对极端环境的挑战——真空、太空中的大幅温度波动、重返地球大气层时的炙热、火箭发射时的爆炸等，为此创造的各种工具在地面上也被应用于汽车碰撞试验的高速摄像机、实施安全监控的振动传感器等。　　在生活消费领域，手机摄像头、滑雪护目镜、助听器充电电池等诸如此类的太空技术频繁出现在您的家庭和每天使用的产品中。　　一、健康医疗技术　　1 有源像素传感器引领牙科成像进入数字化时代　　基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的图像传感器最早应用于牙科X光机，源于NASA捕捉各种图像的需求。20世纪90年代初，喷气推进实验室（JPL）工程师Eric Fossum着手开发一款基于CMOS技术的高效图像传感器。CMOS由微电子晶体管组成，在感光单元内部由预处理电路直接将传感产生的光电信号放大转化为电信号，他称之为有源像素传感器。　　为了开发这款传感器，JPL与多家企业签署了技术合作协议，包括来自纽约长岛的牙科器件制造商Schick Technologies，他们希望能使用CMOS成像系统降低牙科x光设备对电噪音的敏感性，提高诊断的准确性。1995年，Fossum和同事创立Photobit公司，拥有了CMOS成像的独家授权，而Schick公司则获得了CMOS牙科成像设备的独家授权。Schick公司现已被德国西诺德牙科设备有限公司（Sirona Dental Systems）收购，并在产品的尺寸、速度、内存、质量，以及大规模低成本制造方面，发展迅猛。如今，使用CMOS牙科成像传感器仍需西诺德公司的技术授权。

2 冷却服在医疗、体育和工业领域的新用途　　20世纪60～70年代，Bill Elkins曾与来自NASA艾姆斯研究中心和美国空军的工程师们一起研制宇航员的液体冷却服。他们设计了一组薄板，包含许多由小管连接的液体通道，还开发了一个头盔冷却系统。　　Elkins后来与多家企业合作开发新产品，包括来自伊利诺伊州的Welkins公司。该公司拥有多种冷却技术，主要用于防止心脏病发作或中风后的脑损伤、提高运动表现、治疗脑震荡，以及帮助工人解决沉重的防护装备内过热的问题，例如橄榄球运动员佩戴的头盔和拆弹人员穿的防护服等。

3 让婴儿感觉舒适的温度调节面料　　20世纪80年代，NASA研究了一种在宇航服里面进行热量管理的方法，即使用相变材料。像饮料中的冰块一样，这些材料在从固态到液态的相变过程中不断吸收热量，遇到更冷的温度，它们就会释放热量，重新冻结。关键在于找到合适的相变材料，能比水容纳更多的热量，热量转移更快，能在让人感到舒适的温度里发生相变，且必须无毒、不易燃烧。　　1987年，约翰逊航天中心授予Triangle公司一份“小企业创新研究(SBIR)”合同，尝试对这类材料进行应用，将其容纳于微小的胶囊内，代替航天服内的热交换器。1988年，该公司尝试将这些材料与合成纤维相结合，制造宇航员的绝缘手套。近期，来自旧金山的Embrace Innovations公司将其商业化，产品线包括各种型号的婴儿襁褓、睡袋、衍缝被等，织物中的相变材料能够在暖和时吸收热量，寒冷时释放热量，帮助宝宝保持最佳体温。

二、公共安全技术　　1 猎户座航天器对视频的要求推进了紧凑型高速相机的开发　　“猎户座”飞船于2014年12月首次试飞，为了监控着陆降落伞，约翰逊航天中心的工程师们需要一个小巧、轻便、高分辨率、低功耗，能与高速拍摄同步存储数据的摄像机，并能经受发射、太空环境、重返大气层及海中降落等种种严酷环境。他们与承包商洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）一起找到了来自加州的IDT公司，其生产的专业摄像机主要用于工业界和科学界，如碰撞试验。IDT公司开发的相机轻便小巧、坚固、抗辐射、防水，能在毫秒级时间内快速调整曝光，并能以10～12GB/秒的速度备份数据，简直令人难以置信。　　IDT公司为NASA开发了高速固态存储器。在碰撞试验或军事武器测试中，相机的存储器也非常重要。例如，将IDT公司速度最高的相机安装在汽车和碰撞设备上，每毫秒数据都被即时地永久地储存下来。当军事测试过于危险而让人无法靠近时，还能用其任务模式对数据记录进行预编程。

2 弦式传感器预警云层险情　　冰是飞机面临的常见危险，在空中，冰会覆盖在机翼和引擎上构成极大威胁。多年来，NASA一直致力于消除这个隐患。不同于动辄花费数十万美元的地基结冰遥感系统（NIRSS），2000年代初，NASA提出了一种新的数据收集方式，一款轻便的廉价传感器，可随气象气球送入云层。来自蒙大拿州的Anasphere公司与NASA格伦研究中心合作，设计了一款振弦传感器。冰聚积时，它能检测到弦的震动改变，为科学家提供信息——天空中到底潜藏着多少液态过冷水。利用这种廉价的轻型传感器，NASA开发了一套地面系统，为遭遇危险结冰条件的飞机提供预警。　　Anasphere公司还将其出售给美国能源部和GRAW公司（德国无线电探空仪中国子公司）等其它客户，进军中国市场。GRAW公司期望将其出售给农民，当出现危害农作物的近地结冰条件，如有冷雾聚积时，传感器就会响起警报。

3 高流量纳米纤维过滤器净化家庭与农田用水　　全世界有超过十亿人缺乏清洁的饮用水。同样，太空中的每一滴水对宇航员都无比珍贵。最近，美国宇航员Scott Kelly在国际空间站生活了一年，NASA开发的专门技术收集点滴水分，包括汗液和尿液，转化为饮用水。过滤，是唯一的解决办法。并不是所有的过滤器都安全有效:许多廉价的虹吸装置可去除污垢和污染物，但对更危险的渗透物束手无策，尤其是病毒。许多细菌和单细胞生物也能通过过滤器，而被这些微生物感染的过滤器甚至会带来二次污染。　　Tom Smokoff是来自犹他州的纯水技术公司（Water Pure Technologies）创始人，他希望能建立低成本水过滤系统，快速高效地为整个村庄提供用水。他发现，为约翰逊航天中心开发的纳米陶瓷过滤器，能迅速消除超过99.9%的细菌和病毒。从一家特许生产商那里买下这款过滤器后，他们建造的便携式多级过滤系统可直接打包带至水源地使用，由电池或手摇曲柄提供动力。如Water ResQ紫外系统，只需一个12伏的电池供电，经过包括纳米陶瓷过滤器在内的四层过滤，每小时可生产174加仑安全饮用水。其出售的移动式手动过滤系统，甚至能伞降至森林火灾现场，满足消防员的饮水需求。

三、生活消费领域技术　　1 CMOS传感器助力手机摄像头及高清视频　　继牙科X光机之后，手机和数码相机也广泛使用了CMOS有源像素传感器。20世纪60年代，JPL工程师Eugene Lally就提出了有关数码摄影的构想。20世界80年代末，基于电荷耦合器件（CCD）的传感器使高质量数码摄影成为可能。随后，JPL工程师Eric Fossum相信能利用CMOS技术开发出更加轻便、快速、高效的新型成像器。每个CMOS像素都是一个小放大器，对自身信号进行读取，比之CCD将所有信号转移至同一个放大器，降低了电压需求，解决了电荷转移效率的问题。经Fossum创新改造，新的CMOS传感器降低了工作噪声，并将时间和控制系统、模拟数字转换器和信号处理器等几乎所有电子元件整合在一张芯片上，诞生出更加紧凑、可靠、廉价的“芯片上的相机”。手机内置摄像机的小型化、节能型需求推动了CMOS图像传感器的大规模批量生产，技术与制造工艺的进步在降低成本的同时提高了质量。　　来自加州的GoPro公司就利用CMOS开发出了运动相机，用户可以将其装置在自拍杆、冲浪板，甚至自己身上，高保真记录每个冒险瞬间。CMOS技术主宰了整个数码成像行业，截至2015年，包括汽车、监控和医疗行业在内，市场总额已达近100亿美元。

2 滤蓝光镜片让滑雪者的视野更清晰　　所有人类肉眼可见的颜色中，对蓝色和绿色尤为敏感。当红色等外围色调与之同时出现时，就被减弱识别度，该现象被称为“中心荷载敏感度”（center-loading sensitivity），某些情况下，会干扰目标发现、距离估算等视觉判断。1990年代，NASA艾姆斯研究中心的资深科学家Len Haslim开发了一种屏蔽蓝光和绿光的光学滤波器，能将绿色变成黑色或灰色，使其他色彩脱颖而出，帮助我们更容易发现森林中的伪装物和那些濒临死亡的植物。经空气分子散射的蓝光会在山坡上营造出一种特别的朦胧视野，将NASA的光学滤波技术用于滑雪护目镜，能将此种环境下的视敏度和深度知觉平均提升12～15%。　　后来，Haslim的技术成果被商业化了。NASTEK公司与来自科罗拉多州的Optic Nerve公司合作，开发了一系列滑雪护目镜产品，可过滤95%的蓝光，让专业运动员、业余滑雪者和滑雪巡逻队在山坡上也能拥有清晰的视野。

3 源自NASA的助听器充电电池　　NASA花了很多精力开发银锌充电电池，是因为与其他电池相比，银锌电池的功率/重量比更高。道格拉斯飞行器公司的Astropower实验室是NASA格伦研究中心的合作伙伴，经他们共同努力开发的“无机-有机”电池隔板，不仅解决了银锌电池电极易于溶解腐蚀、导电率低等问题，电池的耐久性和制造工艺都取得重大进展，进一步降低了生产成本。　　在此基础上，来自加州卡的ZPower公司经过数年后续研发，最终推出了一款可以改装到大多数现有助听器的银锌充电电池，也是首款只需充电一次就能持续工作超过一整天的助听器电池。

4 大型3D打印机让制造走入大众　　近年来，随着3D打印机的广泛传播和精密度的提高，NASA正在探索使用3D打印技术为深入太空的长期载人航天任务提供帮助。在地面上完成设计和测试，在太空中，只需接收设计文件，就能直接打印所需设备或是那些无法发射至太空的物体。2014年，来自马歇尔太空飞行中心和太空制造（Made In Space）3D打印公司的工程师团队建造了第一台可在零重力环境中工作的3D打印机，并成功地在国际空间站进行了测试。　　一个由约翰逊航天中心前雇员组成的团队在德克萨斯州创立了re:3D公司，制造销售的低成本大型3D打印机，体积比普通台式打印机大30倍，客户遍布全球，甚至包括NASA。他们始终坚持自己的发展使命，每出售100台打印机就捐赠一台，为那些生活在贫困地区，没有超市，无法网购的人们提供帮助。

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