穿着智能“太空服”的宇宙飞船

2月20日，天鹅座”NG-17宇宙飞船从美国弗吉尼亚州的美国国家航空航天局（NASA）沃洛普斯发射场发射升空，执行向国际空间站补给的常规任务。在太空行走设备、计算机硬件和研究实验物品等众多宇航员标准用品中，有一个不同寻常的包裹：一个嵌入碰撞传感器和振动传感器的电子纺织品样本。飞船抵达国际空间站后，一只机械臂将把样本安装到阿尔法太空公司的国际空间站材料试验（MISS）设施的外表，地球控制室的操作员将为样本供电。

在接下来的6个月里，我们团队将首次在太空对装有传感器的电子织物进行操作测试，在低地球轨道的恶劣天气中实时收集传感器数据。我们也希望，传播速度至少比声音快一个数量级的微小尘埃或碎片能够撞击织物并触发传感器。

我们的最终目标是利用这种智能电子织物来研究宇宙尘埃，其中一些尘埃来自太阳系甚至其他恒星系。想象一下，如果覆盖航天器的防护织物可以同时用于天体物理试验，且不会增加过多的质量、体积或功率要求会怎样。再进一步，如果这层智能皮肤也能测量轨道空间碎片和无法被雷达跟踪的微小流星体所造成的累积损害呢？如果压力服中的传感织物像皮肤一样给宇航员以触觉，将会是怎样的一番景象？无论是哪种情况，振动和电荷敏感的电子织物都将是一种基础性技术。

工程织物已经在地球上发挥了重要作用。合成聚合物制成的土工织物被深埋在地下加固堤岸；在侵入性医疗操作过程中，外科网片可以加固组织和骨骼。

在太空中，国际空间站的外壁包裹着一层保护性工程织物，使空间站呈现出白色。这种被称为“贝塔布”的编织物覆盖着空间站的金属外壳，保护航天器免受过热和侵蚀。贝塔布曾用于阿波罗时代的太空服和毕格罗航空航天公司的下一代充气式栖息地的外层。在有可能实质性改变人体本身之前，这样的弹性织物将继续发挥重要的边界作用：作为第二层皮肤，保护人类探险家和航天器免受太空极端影响。

现在是时候给这层皮肤增加一些智能因素了。

我们实验室是麻省理工学院的响应环境小组（Responsive Environments Group），十多年来一直致力于将分布式传感器网络嵌入柔性基底。2018年，我们在研究一个超前的概念：用一个电子网抓住小行星，然后使成百上千个微型机器人在小行星表面爬过，描述小行星材料特征。这项技术令人好奇，但不太可能在短期内投入使用。

在访问我们实验室时，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宇宙科学研究所的行星科学家哈吉梅•亚诺（Hajime Yano）提出了一个近期可以实现的建议：用长期使用在航天器上的贝塔布做一个科学试验。由此，我们开始了一项合作，到目前为止已经计划了多轮原型制作和地面测试，还有两项太空试验。

其中一项测试是搭载即将发射的天鹅座NG-17，由国际空间站国家实验室资助。当国际空间站绕地球运行，当地空间环境变化时，我们用已知的刺激触发传感器，测量它们灵敏度随时间的变化。同时，我们进行阻抗测量，窥探纤维内部的电特性。贝塔织物防护性能的变化能通过温度传感器发现。如果系统运行与之前的设计一样，我们甚至可以在10厘米 10厘米的织物区域内检测到多达20次的微流星体碰撞。触发系统将标记有趣的数据，实时传回地球。

第二项太空试验已经在进行中。一年多来，我们已经悄悄地将很多智能织物样本藏在国际空间站外壁的不同地方，即宇宙商社（Space BD）的暴露实验扶手连接机制（ExHAM）设施上。这是由麻省理工学院媒体实验室空间探索计划（Space Exploration Initiative）资助的试验，试验样品没有通电，由我们监测它们暴露在太空环境中的情况。这种太空环境对材料来说非常恶劣，它们需要反复忍受极端冷热的交替、辐射和侵蚀材料的原子氧。通过与日本宇宙航空研究开发机构进行的多次实时视频会议，我们已经看到样品出现了预期的褪色迹象。一旦样本在1月底搭载SpaceX CRS-24火箭返回地球，我们将对这些织物的传感器性能进行更全面的评估。

我们希望通过展示将传感器简洁干净地集成到关键任务子系统，促进更广泛地将电子织物用作科学仪器。

电子织物在太空中的使用起步较早，而且有一个很好的开头。20世纪60年代，阿波罗制导计算机的软件被存储在一种被称为“芯绳存储器”（core rope memory）的编织基底中。导线通过导电圈结表示1，通过环绕圈结表示0，实现了72千字节/立方英尺（约2500千字节/立方米）的存储密度。

大约在同一时间，一家名为编织电子设备（Woven Electronics）的公司（现在属于柯林斯航空航天公司）开始开发织物电路板原型，这些原型在那个时代被是一种认为超前的发明。在计算机领域，编织电路和芯绳存储器曾与硅半导体技术有过短暂的竞争。

电子织物随后陷入了漫长的停顿期，直到20世纪90年代，人们对可穿戴技术的兴趣“复活”了这种想法。麻省理工学院媒体实验室曾创造一些早期原型，例如，在20世纪90年代末与利维斯合作，设计了一款带有刺绣乐器数字接口（MIDI）键盘的牛仔夹克。从那时起，研究人员和各家公司在织物上创造了众多的传感技术，特别是用于与健康相关的可穿戴设备的织物，比如佩戴在皮肤上的柔性传感器，通过汗液、心率和体温来监测健康状况等。

最近，先进的纤维传感器进一步提高了电子织物的性能和能力。例如，我们的合作伙伴Fibers@MIT小组使用一种被称为“热拉伸”的制造技术，将1厘米厚的夹层材料加热并拉伸至亚毫米厚，就像拉扯彩色的太妃糖。令人难以置信的是，拉伸后的纤维内部结构仍然保持高精准度，可直接编织到织物中作为功能元件，如振动、光线和温度传感器。

但这一令人兴奋的进步尚未应用在太空织物领域。今天的太空服与阿兰•谢泼德（Alan Shepard）1961年在“自由7号”内穿的太空服没有太大区别。不过，最近的太空服设计改为关注改善宇航员的机动性和温度调节功能。指尖部分可能会有触摸屏功能，这大概是它最复杂的功能了。

与此同时，半个多世纪以来，贝塔布在太空栖息地应用的形式没有多少变化。人们针对刚性复合材料开发了少量织物天线和光纤应变传感器非常少。但对我们在太空中使用的织物，几乎没有增加电子传感功能。

为了启动这项研究，我们团队解决了3个方面的问题：制造织物传感器，通过专业设施获得材料撞击的灵敏度基线，设计在太空中测试这些织物的仪器。

我们首先升级了贝塔布，使用一种用浸渍了特氟龙的柔韧玻璃纤维长丝制成织物，使其编织得非常紧密，就像一张很厚的纸张。我们想为这个保护层增加探测亚毫米或微米级微小宇宙尘埃撞击的能力。这些微粒移动得很快，速度高达50公里/秒，平均速度约为10公里/秒。以这个速度运动的10微米含铁粒子带有大约75微焦耳的动能。虽然能量不多，但当它集中撞击一小片区域时，仍然可以产生相当大的冲击力。通过研究这种撞击的运动规律和空间分布，科学家可以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害，我们要测量它们的频率和能量。

什么样的织物传感器才能拥有足够的灵敏度来拾取这些微小的撞击信号？起初，我们决定使用压电纤维。压电材料在经受机械变形时会产生表面电荷。当压电层夹在两个电极之间时，会形成一个传感器，将机械振动转化为电流。压电式撞击传感器曾用于航天器，但一直未能成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排列整齐，以积累电荷。为了固定整齐排列准偶极子（一种叫做“极化”的过程），我们必须对每毫米厚度材料施加大约100千伏的电场。

起初，我们曾尝试仅用聚偏二氟乙烯纱线编织贝塔布。这种单一材料纱线的优点是与服装中的纤维一样精细和柔韧，并且具有抗辐射性和耐磨性。另外，纤维拉伸过程产生了一种有助于极化的晶相结构。然而，在织物上施加大电压会使多孔材料中的空气具有导电性，在材料上引发微型闪电，破坏极化过程。我们尝试了许多办法来减少电弧放电，并测试在织物上用压电墨水涂层。

但最终，我们确定复合材料纤维传感器比单一材料纱线纤维传感器更好，因为其偶极子排列只需发生在每个纤维传感器内非常微小和精准的距离上，而不需要穿过织物的厚度或织物涂层不平整的表面。我们选择了两种不同的纤维传感器。其中一种纤维是由Fibers@MIT设计的压电陶瓷纳米复合纤维，另一种是从商用压电电缆中获取的聚合物，我们对它们进行了改造，使其更适合织物集成。我们给这些纤维传感器涂上一层弹性导电油墨，以及一层白色环氧树脂，保持纤维冷却和抗氧化能力。

为了生产这种织物，我们与位于美国南卡罗来纳州安德森县的太空纺织品制造商JPS复合材料公司合作，在织物上间隔插入我们的两种类型压电纤维，确保我们的贝塔布仍然符合美国国家航空航天局的要求。在织物制造方面，我们还与罗德岛设计学院开展了合作。

为了测试织物的灵敏度，我们使用由麻省理工学院士兵纳米技术研究所的基思•纳尔逊（Keith Nelson）团队设计的激光诱导粒子碰撞测试（LIPIT）平台。这种台式仪器是为了研究材料对微粒碰撞的反应，如无注射给药和冷喷涂工业涂层。在测试中，我们使用了平台的高速粒子来模拟太空尘埃。

在一个代表性试验中，我们把直径几微米到几十微米不等的钢粒子铺在玻璃基板（我们称之为“发射台”）的金膜上。每次发射，激光脉冲都会使金膜汽化，对粒子施加冲击力，将它们加速到每秒数百米的速度。高速摄像机每隔几纳秒捕捉一次金粒子对目标织物样本的撞击，相当于每秒数亿帧。

到目前为止，我们不仅能够检测到粒子撞击传感器表面时的电信号，而且能够检测到粒子撞击点距离传感器一两厘米处时产生的电信号。在一些摄像机镜头中，甚至可以看到间接碰撞产生的声波沿着织物表面传播，最终到达压电纤维。这些有希望的数据表明，我们可以在织物上间隔安装传感器，并且仍然能够检测到撞击。

现在我们正在努力确定织物的灵敏度，也就是说，它能够记录的粒子质量和速度的范围。我们计划不久后在范德格拉夫加速器上测试我们的织物，这台加速器可以将直径几微米的粒子的速度推进到每秒几十公里，与星际尘埃的速度更为一致。

除了压电之外，我们还对探测粒子高速撞击织物时形成的电荷羽流感兴趣。这些羽流包含有关撞击器组成元素的线索。我们在国际空间站上有一个样品，它是一种导电性的人造毛皮，由镀银的维克特纶纤维制成。维克特纶通常用于加固电缆、羽毛球线和自行车轮胎，也是充气式航天器的关键部件。我们将它制成了类似地毯或毛皮大衣的形式。我们相信，这种设计可能非常适合捕捉从撞击中喷出的电荷羽流，可能有助于提高探测器的灵敏度。

与此同时，我们越来越对将传感纺织品移植到太空服上感兴趣。我们团队中的一些成员已经研究出了一个初步概念，使用含有振动、压力、距离和触觉传感器的织物来区分手套、金属设备和岩石地形，这正是宇航员穿着压力服会遇到的各种物体表面。然后，这些传感器数据被映射到宇航员皮肤上的触觉致动器上，使佩戴者能够通过太空服生动地感知周围环境。

传感器织物还能怎样加强人类与太空环境的接触呢？对于长期任务，居住在航天器或栖息地内数月的探索者会渴望体验多样性。织物和薄膜传感器可以探测航天器或栖息地外的太空天气，然后利用这些数据改变内部的光线和温度。类似的系统甚至可以模拟某些外部条件，比如在栖息地内部感受火星的微风，或者通过太空服感受爱人的抚摸。

在遥远的将来，这种织物将有助于推进前沿科学的发展，在整个太阳系数百个航天器上展开大规模分布式科学测量。特别是最近的研究表明，近地超新星爆炸产生的尘埃仍在向地球倾泻，这让我们非常着迷。有了足够灵敏的电子织物网络，我们就可以评估这种星际尘埃的运动规律了。航天器外壳同时面向所有方向，有可能探测到宇宙尘埃最微弱的波动，使科学家能够搜寻彗星拖尾之类的物体，探索我们的太阳系目前正在穿越的巨大星际尘埃云，即所谓的本星际云（Local Fluff），甚至可能探测到这颗百万年的超新星喷射出的微粒。为此，在星际尘埃占主导地位的太阳系轨道平面外部署传感器织物也可能会取得丰硕成果。

为了设计一种能够承受极端条件的织物，我们预计将试验具有内在热弹性和辐射弹性的压电材料，如氮化硼纳米管，以及具有更好的内在噪声耐力的设备，包括基于玻璃纤维的传感器。我们还设想构建一个能够智能地适应当地条件和任务优先级的系统，可自主调节采样率、信号增益等。

太空弹性电子织物可能还处于萌芽阶段，但这是一项跨领域的工作。纺织设计师、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设想未来航天器和太空服的外层皮肤方面发挥作用。这层皮肤既是人的边界，也是地域的分界，是一片有待开发的新天地。

作者：Juliana Cherston, Joseph A. Paradiso