麻省理工學(xué)院科學(xué)家3D打印衛(wèi)星傳感器，用于預(yù)測(cè)天氣或研究氣候變化

2022年7月29日，南極熊獲悉，來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員已經(jīng)成功地3D打印出第一個(gè)完全數(shù)字化制造的等離子體傳感器，可應(yīng)用到太空衛(wèi)星上。他們使用立體光聚合法來(lái)制造這些等離子體傳感器，它們也被稱為延緩電位分析器（RPA），使制造商能夠以比以往更快和更便宜的方式生產(chǎn)它們�？茖W(xué)家們希望借助它確定大氣的化學(xué)成分和離子能量分布，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測(cè)天氣或監(jiān)測(cè)氣候變化的目的。

自從航空航天領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)3D打印的好處以來(lái)，無(wú)數(shù)的新項(xiàng)目和發(fā)明不斷涌現(xiàn)，使整個(gè)行業(yè)比以往任何時(shí)候都更進(jìn)一步。增材制造促使科學(xué)家和工程師們找到了利用這些技術(shù)發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)的渠道，正如麻省理工學(xué)院科學(xué)家的這一最新發(fā)現(xiàn)所顯示的。在最近發(fā)表的一篇論文中，這所北美著名大學(xué)的研究人員宣布，他們已經(jīng)為CubeSats等軌道航天器創(chuàng)造了完全數(shù)字化制造的等離子體傳感器。這些小而輕的衛(wèi)星，與其他航天器相比，價(jià)格相對(duì)低廉，主要用于通信或環(huán)境監(jiān)測(cè)上。

照片來(lái)源：麻省理工學(xué)院

這些新推出的3D打印傳感器之所以如此有趣，是由于使用了光聚合技術(shù)而不是激光增材工藝，它們可以比其他傳感器更快、更短地生產(chǎn)。通常情況下，傳感器的生產(chǎn)需要幾周的時(shí)間，并且需要特殊的要求，如無(wú)塵室，才能生產(chǎn)。就科學(xué)和制造而言，潔凈室是一種受控環(huán)境，完全沒(méi)有灰塵、空氣中的微生物和氣溶膠顆粒等污染物，這樣的嚴(yán)格要求使這個(gè)過(guò)程既昂貴又費(fèi)時(shí)。麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）的首席科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García解釋說(shuō)："當(dāng)你在潔凈室中制作這種傳感器時(shí)，你沒(méi)有相同的自由度來(lái)定義材料和結(jié)構(gòu)以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔�。使之成為可能的是增材制造的最新發(fā)展。

制作多功能傳感器的材料和工藝

RPA 于 1959 年首次用于太空任務(wù)。傳感器檢測(cè)離子或帶電粒子中的能量，這些離子或帶電粒子漂浮在等離子體中，等離子體是地球上層大氣中分子的過(guò)熱混合物。在像 CubeSat 這樣的軌道航天器上，多功能儀器測(cè)量能量并進(jìn)行化學(xué)分析，可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣或監(jiān)測(cè)氣候變化。

傳感器包含一系列帶電的網(wǎng)格，上面點(diǎn)綴著小孔。當(dāng)?shù)入x子體穿過(guò)空穴時(shí)，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。這些離子產(chǎn)生傳感器測(cè)量和分析的電流。RPA 成功的關(guān)鍵是對(duì)齊網(wǎng)格的外殼結(jié)構(gòu)。它必須是電絕緣的，同時(shí)還能夠承受溫度的突然劇烈波動(dòng)。

為了制造出傳感器，科學(xué)家們選擇了一種具有這些特性的可打印玻璃陶瓷材料，稱為Vitrolite，這是一種玻璃陶瓷材料，具有合適的特性，能夠承受外太空的極端溫度變化。Vitrolite 在 20 世紀(jì)初被發(fā)明出來(lái)，經(jīng)常用于彩色瓷磚，成為裝飾藝術(shù)建筑中常見(jiàn)的材料。這種耐用材料還可以承受高達(dá) 800 攝氏度的溫度而不會(huì)分解，而半導(dǎo)體 RPA 中使用的聚合物在 400 攝氏度時(shí)開(kāi)始熔化。

LuisFernando Velásquez-García（圖片來(lái)源：MIT）

陶瓷的 3D 打印過(guò)程通常涉及用激光撞擊陶瓷粉末以將其融合成形狀，但由于激光的高熱量，該過(guò)程通常會(huì)使材料變得粗糙并產(chǎn)生薄弱點(diǎn)。相反，麻省理工學(xué)院的研究人員使用了大桶光聚合技術(shù)，這是幾十年前引入的一種用于聚合物或樹(shù)脂增材制造的工藝。通過(guò)大桶立體光刻工藝，將其反復(fù)浸入一桶液體材料（在本例中為 Vitrolite）中，一次構(gòu)建一層 3D 結(jié)構(gòu)。每一層加完后，用紫外光固化材料，然后將平臺(tái)再次浸沒(méi)在大桶中。每層只有100 微米厚（大約是人類頭發(fā)的直徑），可以創(chuàng)造出光滑、無(wú)孔、復(fù)雜的陶瓷形狀。

在數(shù)字制造中，設(shè)計(jì)文件中描述的對(duì)象可能非常復(fù)雜。這種精度使研究人員能夠創(chuàng)建具有獨(dú)特形狀的激光切割網(wǎng)格，以便將孔設(shè)置在 RPA 外殼內(nèi)時(shí)完美對(duì)齊。這使更多的離子能夠通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測(cè)量。由于傳感器的生產(chǎn)成本低廉且制造速度如此之快，研究團(tuán)隊(duì)制作了四種獨(dú)特設(shè)計(jì)的原型。

雖然一種設(shè)計(jì)在捕獲和測(cè)量各種等離子體方面特別有效，例如衛(wèi)星在軌道上遇到的等離子體，但另一種設(shè)計(jì)非常適合感測(cè)極其密集和冷的等離子體，這些等離子體通常只能使用超精密半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。這種高精度可以使 3D 打印傳感器應(yīng)用于聚變能研究或超音速飛行。

Velásquez-García 補(bǔ)充說(shuō)：“快速原型制作過(guò)程甚至可以刺激衛(wèi)星和航天器設(shè)計(jì)方面的更多創(chuàng)新。如果你想創(chuàng)新，你需要能夠失敗并承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。增材制造是制造太空硬件的一種非常不同的方式。我可以制作太空硬件，如果它失敗了，也沒(méi)關(guān)系，因?yàn)槲铱梢苑浅？焖偾伊畠r(jià)地制作新版本，并真正迭代設(shè)計(jì)。對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)理想的技術(shù)手段。“

雖然 Velásquez-García 對(duì)這些傳感器很滿意，但他希望在未來(lái)改進(jìn)制造過(guò)程。減少玻璃陶瓷缸聚合中的層厚度或像素尺寸可以創(chuàng)建更精確的復(fù)雜硬件。此外，完全增材制造傳感器將使它們與太空制造兼容。他還想探索使用人工智能來(lái)優(yōu)化特定用例的傳感器設(shè)計(jì)，例如大大減少它們的質(zhì)量，同時(shí)確保它們保持結(jié)構(gòu)合理。

在投入商業(yè)用途后，新的3D打印傳感器將能夠幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣，更好地研究氣候變化，或以許多其他方式進(jìn)行研究。盡管他期待著進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究這些傳感器，但Luis對(duì)他和團(tuán)隊(duì)的工作完全滿意，并總結(jié)說(shuō)："增材制造可以為未來(lái)的空間設(shè)備帶來(lái)巨大變化。有些人認(rèn)為，當(dāng)你用3D打印制造某些東西時(shí)，你必須接受較低的性能。但我們已經(jīng)表明，情況并非總是如此。"

這項(xiàng)研究論文是由MTL 博士后Javier Izquierdo-Reyes，研究生ZoeyBigelow和博士后 Nicholas K. Lubinsky共同完成，被發(fā)表在增材頂刊《AdditiveManufacturing》上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004262