Обтягивающий герметичный костюм не только поддержал бы астронавта, но и дал бы ему гораздо больше свободы передвижения во время исследования планет. Чтобы снять костюм, ей нужно было лишь приложить умеренную силу, вернув костюм в его более свободную форму.Теперь исследователи Массачусетского технологического института на один шаг ближе к разработке такого активного скафандра «второй кожи»: Дава Ньюман, профессор аэронавтики, космонавтики и инженерных систем Массачусетского технологического института, и ее коллеги разработали одежду активного сжатия, которая включает в себя небольшие пружинные катушки, которые сокращаться в ответ на тепло.
Катушки изготовлены из сплава с памятью формы (SMA) — типа материала, который «запоминает» заданную форму и при изгибе или деформации может вернуться к этой форме при нагревании.Команда включила катушки в манжету, похожую на жгут, и применила ток для генерации тепла. При определенной температуре срабатывания катушки сжимаются до своей «запомненной» формы, такой как полностью скрученная пружина, при этом сжимая манжету. В ходе последующих испытаний группа обнаружила, что давление, создаваемое катушками, равняется тому, которое требуется для полной поддержки космонавта в космосе.
«В обычных скафандрах вы, по сути, находитесь в воздушном шаре с газом, который обеспечивает вам одну треть атмосферы [давления], необходимую для поддержания жизни в космическом вакууме», — говорит Ньюман, который работал в последние десять лет, чтобы разработать облегающий и гибкий скафандр будущего. «Мы хотим добиться такого же повышения давления, но за счет механического противодавления — прикладывая давление непосредственно к коже, таким образом, полностью избегая давления газа. Мы комбинируем пассивные эластичные материалы с активными материалами.… В конечном счете, большим преимуществом является мобильность и очень легкий костюм для исследования планет ».Конструкция катушки была разработана Брэдли Холшу, постдоком в лаборатории Ньюмана. Холшух и Ньюман вместе с аспирантом Эдвардом Оброптой подробно описывают дизайн в журнале IEEE / ASME: Transactions on Mechatronics.
Как тренировать скафандрХотя в прошлом предлагались обтягивающие скафандры, было одно постоянное дизайнерское препятствие: как втискиваться в герметичный скафандр, который спроектирован так, чтобы быть чрезвычайно плотным, и выходить из него.
Вот где сплавы с памятью формы могут предоставить решение. Такие материалы сжимаются только при нагревании и могут легко растягиваться до более рыхлой формы при охлаждении.Чтобы найти активный материал, наиболее подходящий для использования в космосе, Хольшу рассмотрел 14 типов материалов, изменяющих форму, от диэлектрических эластомеров до полимеров с памятью формы, прежде чем остановился на никель-титановых сплавах с памятью формы.
Когда он натренирован как плотно сжатые пружины малого диаметра, этот материал сжимается при нагревании, создавая значительную силу, учитывая его небольшую массу — идеальный вариант для использования в легкой компрессионной одежде.Материал обычно производится в рулонах из очень тонкого прямого волокна.
Чтобы преобразовать волокно в катушки, Хольшу позаимствовал методику у другой группы Массачусетского технологического института, которая ранее использовала спиральный никель-титан для создания термоактивируемого роботизированного червя.Сплавы с памятью формы, такие как никель-титан, можно «обучить» возвращать к исходной форме в ответ на определенную температуру. Чтобы натренировать материал, Holschuh сначала намотал сырое SMA-волокно в чрезвычайно плотные катушки миллиметрового диаметра, а затем нагрел катушки до 450 градусов Цельсия, чтобы придать им первоначальную или «натренированную» форму. При комнатной температуре катушки можно растягивать или сгибать, как скрепку.
Однако при определенной «триггерной» температуре (в данном случае всего 60 ° C) волокно начнет возвращаться в свое натренированное, плотно свернутое состояние.Исследователи прикрепили набор катушек к эластичной манжете, прикрепив каждую катушку к небольшой нити, прикрепленной к манжете.
Затем они присоединяли выводы к противоположным концам катушек и подавали напряжение, выделяя тепло. Между 60 и 160 ° С катушки сжимаются, натягивая прикрепленные нити и затягивая манжету.«По сути, это самозакрывающиеся пряжки», — говорит Хольшу. «После того, как вы наденете костюм, вы можете пропустить ток через все эти маленькие детали, и костюм обернет вас в термоусадочную пленку и закроется».Держать это крепко
Следующая задача группы — найти способ сохранить костюм плотно. Для этого, по словам Холшу, есть только два варианта: либо поддерживать постоянную, жаркую температуру, либо использовать блокирующий механизм, чтобы катушки не расшатывались.
Первый вариант приведет к перегреву космонавта и потребует тяжелых аккумуляторных блоков — конструкция, которая значительно затруднит мобильность и, вероятно, неосуществима, учитывая ограниченные ресурсы энергии, доступные астронавтам в космосе. Хольшу и Ньюман в настоящее время изучают второй вариант, изучая потенциальные механизмы блокировки или фиксации катушек на месте.Что касается места намотки катушек внутри скафандра, Holschuh рассматривает несколько вариантов конструкции. Например, набор катушек может быть встроен в центр костюма, причем каждая катушка прикреплена к нити, которая излучается к конечностям костюма.
Когда катушки активируются, они могут тянуть за прикрепленные нити — так же, как веревки марионетки, — чтобы затянуть костюм и придать ему давление. Или меньшие группы катушек могут быть размещены в стратегических местах внутри скафандра для создания локального напряжения и давления, в зависимости от того, где они необходимы для поддержания полного сжатия тела.В то время как исследователи в основном сосредоточены на применении в космосе, Хольшу говорит, что конструкции и активные материалы группы могут использоваться для других целей, например, в спортивной одежде или военной форме.«Вы можете использовать это как систему жгута, если кто-то истекает кровью на поле боя», — говорит Холшу. «Если в вашем костюме есть датчики, он может наложить на вас жгут в случае травмы, даже если вы об этом не будете думать».
«Интегрированный костюм интересно думать о повышении производительности человека», — добавляет Ньюман. «Мы пытаемся сохранить наших космонавтов живыми, безопасными и мобильными, но эти конструкции предназначены не только для использования в космосе».Это исследование финансировалось НАСА и Португальской программой Массачусетского технологического института.
