美国宇航局2017年的宇航服管理和开发审计报告指出,美国宇航局继续管理与目前在太空中穿的宇航服——舱外机动单元(EMU)相关的一系列设计和健康风险。来自德克萨斯农工大学的Ana Diaz Artiles博士提出了一种新的智能混合智能套装设计,有可能解决其中一些问题。
Smartsuit是一种考虑到月球和火星的行星探索的Spaceuit,包括软机器人技术,为宇航员提供更好的流动性和灵巧,并让他们在宽容活动中更好地与周围环境进行互动(EVA)。该技术最近选择了NASA创新的先进概念(NIAC)阶段授予。
宇航服的外层有一层柔软、可伸缩的自愈合皮肤,不仅可以保护宇航员,还可以通过嵌入膜内的集成透明传感器收集数据。这些传感器能够直观地显示环境和膜结构信息,向佩戴者提供周围环境的视觉反馈。
在国际空间站(EMU)外面工作时的目前的诉讼是高压的,没有机器人帮助,要求宇航员对诉讼工作并使用他们的力量来移动。“Spacesuit就像一个大气球。When you try to bend your leg it has this tendency to come back to the natural position, so you’re fighting against the suit every time you try to make a move,” says Diaz Artiles, adding that this can lead to astronaut fatigue, as well as musculoskeletal injuries and discomfort.
提出的软机器人技术可以提高人类在EVA中的表现,改善宇航服内的机动性,并允许全方位的运动。植入宇航服皮肤的传感器将增强EVA期间与环境的互动,允许宇航员在探索火星表面时真正“感受”岩石。
柔软的机器人层的另一个好处是,当延伸到整个身体表面时,可以产生连续的机械反压力。减压病(DCS)是EVA手术的重要考虑因素。为了防止暴露在宇航服压力下的DCS,宇航员在减压前预呼吸纯氧,以洗掉身体组织中的氮。这种预呼吸的持续时间可以长达4个小时。
通过柔软的机器人层提供一定的压力,宇航服内气体产生的压力可以降低,这反过来可以显著减少必要的预呼吸时间,从4小时减少到90分钟。
此外,Smartsuit的自愈膜在火星表面上的EVA期间穿孔时,宇航员的潜力可能会保护宇航员,从而提高乘船期间的宇航员安全。嵌入在膜中的可拉伸光电子将提供一种监测Spacesuit应力的手段,有助于确定套装中的失效最有可能发生并通知宇航员如果自我愈合膜严重受损。
在2019年的一轮招标中,NIAC选择了12个项目作为第一阶段的合同,价值约为12.5万美元。第一阶段的研究是探索性的,为期9个月的项目,允许研究人员进一步发展他们的想法。如果该概念获得第二阶段的批准,该项目将继续推进,并在两年内获得高达50万美元的资金,以进一步推进该技术。
航空航天工程系的副教授Diaz Artiles将领导这项研究的任务架构工作,包括全面的生物力学和人类性能分析。她的合作者,康奈尔大学的副教授罗伯特·谢博德博士,将分析制造SmartSuit的材料和机械参数,并将对其核心概念进行初步实验验证。
图1:SmartSuit的设计理念。(图片来源:Ana Diaz Artiles博士)
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