NASA航天技术转移案例（二）

案例1 无重力举重练肌肉

1996年，美国国家航空航天局（NASA）的航天员珊农·露西德（Shannon Lucid）在俄罗斯和平号（Mir）空间站停留了188天，期间花了数百小时进行锻炼。当时，由于肌肉和骨密度的流失，航天员在微重力下长时间停留后被带离航天器是正常的。1996年9月27日，当她从亚特兰蒂斯号（Atlantis）航天飞机出舱时，基本上是在没有帮助的情况下走出来的。尽管如此，露西德还是在太空中流失了肌肉质量和骨骼密度，走路摇摇晃晃。NASA的医务人员知道他们必须为航天员找到一种更好的方法，让他们在更长的任务中保持健康。1991-2001年，担任约翰逊航天中心（JSC）医疗行动组负责人的罗杰·比利卡（Roger Billica）回忆道：“当时没有一个好的解决方案。”比利卡及其团队决定呼吁一下，采取对策来寻求一个解决方案。

就是这个呼吁引起了发明家保罗·弗朗西斯（Paul Francis）的注意。弗朗西斯曾设计了一种主要采用橡胶弹性体的零件，并将其发展成螺旋扭转弹簧，将其命名为SpiraFlex阻力技术（Spinoff，2001）。弗朗西斯联系了比利卡，向NASA的医务人员、研究人员和航天员展示了SpiraFlex后，最终赢得了这个机会。弗朗西斯的公司与洛马公司和怀尔实验室（Wyle Labs）公司签订合同，开发新的NASA设备，该设备被称为间断性抗阻力锻炼装置（IRED）。NASA的生理学家迈克尔·拉普利（Michael Rapley）与弗朗西斯一起在IRED装置上进行了各种实验。直到2009年IRED才被更换，当时高级抗阻锻炼装置（ARED）被送到“国际空间站”，这两个装置共存了大约1年时间。

在与NASA合作建立初始设备后，弗朗西斯获得了该技术的附加专利，并将其授权给美国健身器材品牌诺德士（Nautilus），这是一家将SpiraFlex融入其“博飞革命”（Bowflex Revolution）系列家庭健身器的健身器材公司。弗朗西斯表示，“博飞革命”系列已经实现了超过2亿美元的销售额。

案例2 “詹姆斯-韦伯空间望远镜”的创新技术提高了眼科手术的速度和精度

研制中的“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）将为人类寻找宇宙中形成的第一个星系。建造这样一台望远镜显然是项艰巨的任务，特别是需要制造大型镜片。主镜组装起来之后，直径大约有两层楼高，由18片独立反射镜组成。每片反射镜在光滑度、平整度上都有极高的要求，而且不能有瑕疵。这18片反射镜的制造工艺包括测量、磨、抛光和检测，然后反复实施这个过程，直到反射镜符合要求，其中研磨工序就可能耗时数年之久。

在抛光工序中，NASA把合同发包给了诺格公司（Northrop Grumman）和鲍尔公司（PCC），后者又与L3技术公司签署了分包合同。L3技术公司与WaveFront科学公司签订了合同，开发一种测量反射镜抛光效果的系统。这项测量可以在研磨后的一天之内实施，然后给出镜面的详细图样，为下一步研磨提供指导。对NASA来说，这种新的测试技术缩短了制造高质量主镜片的时间、减少了造价。

这项创新为研究者和医生们提供了一种更快、更精确的手段，来测量复杂的表面，并可以用在不同类型的透镜上，如人类的眼睛。为JWST开发的测量系统可以为准分子激光原地角膜消除术（也就是近视眼手术）提供新的手段。WaveFront科学公司利用JWST的技术转移，研制了一种为眼科医生设计的名为“全眼科分析系统”的产品，测量速度比此前的类似系统快了21倍。“全眼科分析系统”可以对人类的眼睛进行详细测绘，支持对白内障、圆锥角膜（造成视力下降的一种眼球状况）和眼球移动进行研究。这是美国乃至全球眼科医生都需要的手段。

2007年，WaveFront科学公司被先进医疗光学公司（Advanced Medical Optics）收购，后者进一步改进了“全眼科分析系统”的技术。2年后，先进医疗光学公司又被阿伯特实验室公司（Abbott Laboratories）收购，更名为阿伯特医疗光学公司（Abbott Medical Optics）。如今，这家公司在视力矫正领域处在领先地位，而“全眼科分析系统”也改名为波前像差仪（iDesign Advanced Wave Scan Studio），是该公司激光准分子近视眼手术解决方案的重要组成部分。

案例3 “卡西尼”探测器的胶带

20世纪90年代中期，喷气推进实验室（JPL）的工作人员研制了“卡西尼”（Cassini）土星探测器，这是NASA和欧洲航天局（ESA）、意大利航天局（ASI）联合研制的项目，在当时的投资就达到了14亿美元。后来它进入土星轨道工作了11年。“卡西尼”不但自身携带了12台科学仪器，所搭载的“惠更斯”（Huygens）着陆器上还有6台科学仪器。为了让这些设备能够耐受星际航行期间的极端温度变化和其他恶劣空间条件，需要用星衣把主要设备包裹起来。

为了让星衣服帖地包裹在设备上，需要特殊的胶带。但是当时JPL所能找到的胶带都无法满足“卡西尼”的各种光学特性。负责星衣的JPL专家马克·杜兰（Mark Duran）向盾膜公司（Dunmore）寻求解决方案。根据NASA提出的要求，这家公司研制了一系列特制胶带，其中为“卡西尼”研制的胶带采用了碳聚合聚酰亚胺薄膜，并增加了两层密织材料。采用这样的增强型胶带后，整个试验过程中只需要一套星衣就够了。

在地面应用中，多层金属镀层聚酰亚胺绝热材料可用于低温物质运输，例如液氢、液氧和液化天然气。在其他需要低温的环境中，如粒子加速器和核磁共振成像仪，也可以用到多层金属镀层聚酰亚胺绝热材料。这种绝热材料还能用来制造电路板，可以耐受焊接时产生的高热。由于金属镀膜还能用来放空静电，以防对电子元器件可能造成的损害。于是，Dunmore公司开始为地球上的电子产品大量生产镀膜聚酰亚胺薄膜。为“卡西尼”探测器所研制的胶带同样可以用于消费电子设备。

商业航天企业包括太空探索技术公司（SpaceX）、轨道科学公司（ORB）、维珍银河公司（Virgin Galactic）和蓝色起源公司（Blue Origin），都向这家公司采购薄膜和胶带。

案例4 新型热量吸收相变涂层

炎炎夏日，大多数人都乐于享受冰镇饮料，而不会去考虑杯子里发生的物理变化。但是，当饮料中的冰块融化时，会产生一种强大的相变反应。马歇尔航天飞行中心材料科学家拉吉·考尔（Raj Kaul）指出，相变的神奇之处在于温度恰好在转变点处保持稳定。NASA开发了一套不同熔点的材料，最初计划将这些材料用于航天服中，但实践发现当人体热量积聚在密闭的航天服中时，会热得令人感觉很不舒服。

21世纪初，考尔开始研究使用相变材料保护航天器（特别是航天飞机）外部的方法。当时固体火箭助推器涂有一种叫作马歇尔收敛涂层（MCC-1）的保护材料，其基本上是软木和环氧树脂的混合物。软木会燃烧，燃烧过程也会带走热量，还会烧蚀涂层，造成新材料暴露出来。因此，考尔决定研究一种新的不会烧蚀的保护涂层，并且在涂层下面仍然能够保持安全的温度。他最终开发出一种被封装在塑料中的材料，保护固体火箭助推器不会因发射时的高温而熔化，同时相变材料在熔化时不会滴落。

这种涂层不仅仅是局限于应用在航空航天领域。这项涂层专利很快就被企业家克里斯·比勒克（Chris Bilec）购买了。考尔建议这种涂料可以用于外墙涂料或作为屋顶涂料，这样它在白天会吸收热量，在夜间就会释放热量，会使房子更加节能。而比勒克认为很难研制出一种符合专利范围的住宅涂料，但他已有其他商业应用的想法，包括一种可以隔离飞机的涂层。

比勒克解释道，对于飞机来说，这个想法是在飞机的后端涂上一层防止喷气发动机热损伤的涂层，比勒克已将样品送至航空涂料制造商进行测试。同时，他也关注到了一家为退伍军人事务医院制造热阱的公司。比勒克在研发中还有另一个想法，就是发明一个无冰冷却器，以及更小的午餐和剩菜容器。他说：“当我看到一些人买啤酒，却说没有足够的空间放冰块时，我想到了这个主意。我觉得找到了完美的解决方案。”

案例5 采用NASA标准设计的汽车座椅

起初，在人类用于太空旅行的航天器设计中，对安全性的考虑远远超过了舒适性。NASA约翰逊航天中心人类研究项目经理米赫里班·惠特莫尔（Mihriban Whitmore）描述说：“像‘双子座’（Gemini）和‘阿波罗’（Apollo）这样的早期太空舱体积小，采用座椅驱动设计，大部分飞行活动都是将航天员绑在座椅上进行的。”后来，NASA投入了更多的精力和资源来了解航天器如何为航天员提供舒适、安全的环境。NASA检查的第一件事是中性体位（NBP），即人体在微重力下自然呈现的姿势。

20世纪80年代，NASA在《人-系统集成标准》（MSIS）中明确并记录了中性体位的特性。自此，NASA在人体姿态研究上取得了重大进展，包括从“国际空间站”工作区座椅到陆地车辆中汽车座椅的一切发展。

2005年，日产汽车公司（Nissan）美国办事处的工程师们将NASA的中性体位研究作为开发日产汽车新型驾驶座椅的起点。像航天员一样，汽车司机也需要安全舒适，才能够长时间高效地驾驶汽车。Nissan公司汽车零部件工程开发部经理崛井平浩（Akinari Hirao）解释说：“客户对座椅的典型需求是舒适性，特别是无疲劳性。这就是我们发展的动力。”

2006年，Nissan公司公布了其首次研究成果，即采用其新型的带有两件式靠背的实验座椅，用以保持中性体位。结果表明，座椅支撑了脊柱以及从骨盆到胸部的区域，并且促进了血液循环。坐在实验座椅上时，驾驶员的姿势保持接近中性体位，并且在长期久坐期间的疲劳程度大大降低。2007年，Nissan公司公布了第二阶段研究成果，评估了原型座椅在高速公路上的长期动态驾驶条件。结果表明，得益于新的座椅姿态，其与传统汽车座椅的疲劳程度相比，驾驶过程中的体力消耗仅为原来的50%。

Nissan公司还在2013款日产天籁汽车（Altima）上首次推出了源自NASA技术的座椅，并计划应用到许多即将上市的日产和英菲尼迪汽车（Infiniti）中。此外，这项技术不仅适用于驾驶员和前排乘客的座椅，也适用于车辆的后排座椅。

这些座椅将会使经历长途旅行的驾驶员和乘客感到更加轻松。