DLR推出全3D打印MiniFix模塊，一種高度適應(yīng)性的太空生物固定系統(tǒng)

2025年5月25日，南極熊獲悉，德國(guó)航空航天中心(DLR)的研究人員開發(fā)了 MiniFix，這是一種完全基于 3D 打印注射器的生物固定系統(tǒng)，專為航天飛行而設(shè)計(jì)。MiniFix已成功部署于五次MAPHEUS探空火箭任務(wù)中，代表了實(shí)驗(yàn)有效載荷設(shè)計(jì)的突破，它結(jié)合了快速成型、模塊化和在微重力環(huán)境下的穩(wěn)健性能，在微重力研究的極端條件下，將快速成型與模塊化、輕量化和可靠的性能相結(jié)合。

相關(guān)研究以題為“Pioneering the Future ofExperimental Space Hardware: MiniFix - a Fully 3D-Printed and Highly AdaptableSystem for Biological Fixation in Space”的論文發(fā)表在 SpringerNature 出版的《微重力科學(xué)與技術(shù)》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s12217-025-10178-4

空間生命科學(xué)的3D打印里程碑

與傳統(tǒng)的生物固定系統(tǒng)不同，MiniFix 完全采用熔融沉積成型 (FDM) 技術(shù)生產(chǎn)。關(guān)鍵部件，包括注射器支架、底板和外殼，均使用桌面 3D 打印機(jī)（尤其是Prusa MK3+）制造，打印機(jī)配備 0.4 毫米噴嘴和 0.3 毫米層高。這種方法能夠快速、低成本地迭代和定制部件，以滿足不同的任務(wù)和實(shí)驗(yàn)需求。

MiniFix系統(tǒng)經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使用了三種不同的材料：PLA（聚乳酸），用于初始任務(wù)（MAPHEUS-09 和 MAPHEUS-12）；PETG（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯），用于增強(qiáng)機(jī)械耐久性（MAPHEUS-14）；以及 GreenTEC Pro，一種高耐熱性的可堆肥生物塑料，用于 MAPHEUS-15。這使得 MiniFix 成為首個(gè)搭載火箭飛行的生物可堆肥實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。

△MiniFix固定系統(tǒng)的剖面半透明視圖。圖片來自 Sebastian Feles / DLR。

模塊化設(shè)計(jì)，可快速適應(yīng)

MiniFix 采用雙注射器配置，固定劑和生物樣本分別置于垂直堆疊的注射器中。注射器驅(qū)動(dòng)由 NEMA11 步進(jìn)電機(jī)和線性執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)精確的流體分配。硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，可進(jìn)行消毒，因此預(yù)組裝的注射器單元可在無菌條件下安裝。

全3D打印底盤確保無需重新設(shè)計(jì)核心系統(tǒng)即可快速添加定制功能，例如用于植物實(shí)驗(yàn)的集成照明。這使得MiniFix適用于從單細(xì)胞生物到類器官的各種生物模型。

△SBBFS配置的變體。圖片來自 Sebastian Feles / DLR

通過廢熱進(jìn)行內(nèi)置熱調(diào)節(jié)

MiniFix 的被動(dòng)熱管理系統(tǒng)是一項(xiàng)突出的創(chuàng)新，它利用步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的熱量來維持穩(wěn)定的內(nèi)部溫度。由于無需單獨(dú)的加熱元件，這套系統(tǒng)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了功耗，并減輕了總有效載荷重量，這對(duì)于對(duì)重量和能量預(yù)算有嚴(yán)格要求的探空火箭任務(wù)來說至關(guān)重要。

MAPHEUS-15 的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，MiniFix的內(nèi)部溫度保持在 21.98°C ±0.12°C，即使在低至4°C 的環(huán)境條件下，運(yùn)行期間也僅消耗 4.6 Wh。

經(jīng)過太空測(cè)試的可靠性

MiniFix 3D打印結(jié)構(gòu)的可靠性在多次任務(wù)中得到了檢驗(yàn)。MiniFix成功經(jīng)受住了極端條件的考驗(yàn)，包括超過20 g的發(fā)射振動(dòng)以及從超重力到微重力和再入大氣層的溫度波動(dòng)。在四次任務(wù)中，組件未出現(xiàn)任何性能下降或材料失效，飛行后檢查確認(rèn)了所有打印部件和機(jī)械系統(tǒng)的完整性。

未來的應(yīng)用

除了固定功能外，MiniFix 還可以發(fā)展成為適用于太空的通用液體處理系統(tǒng)。注射器機(jī)制已能夠進(jìn)行可編程混合，平臺(tái)可適用于試劑輸送、藥物測(cè)試，甚至太空制造中的微流體技術(shù)。此外，它還體現(xiàn)了增材制造技術(shù)如何加速實(shí)驗(yàn)開發(fā)周期，同時(shí)在惡劣環(huán)境下保持可靠性。開源微控制器和模塊化設(shè)計(jì)理念進(jìn)一步使其成為未來生命科學(xué)及其他領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)硬件的模板。

增材制造正在迅速改變航天硬件的開發(fā)，從在軌部件制造到地面發(fā)射系統(tǒng)。就在今年，歐空局在國(guó)際空間站上的Metal3D打印機(jī)在微重力環(huán)境下生產(chǎn)出了首個(gè)金屬3D打印部件，現(xiàn)已安全返回地球進(jìn)行分析。

來自太空的金屬3D打印部件。圖片來自歐空局。

與此同時(shí)，尼康和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)正在合作改進(jìn)用于太空部件的大型金屬 3D 打印技術(shù)，改進(jìn)材料和工藝控制，以縮短交付周期并降低發(fā)射成本。在此背景下，德國(guó)宇航中心 (DLR) 的 MiniFix 系統(tǒng)代表了新一波高度適應(yīng)性、特定任務(wù)的有效載荷，這些有效載荷完全使用桌面 FDM 打印機(jī)和生物塑料制造，并針對(duì)探空火箭飛行和微重力研究的嚴(yán)苛要求進(jìn)行了優(yōu)化。