NASA研发新型3D打印传感器技术
NASA研发新型3D打印传感器技术
远望智库技术预警中心 石墨
据澳大利亚每日航天2019年2月17日消息，美国航天局相关研究人员正致力于研发新型3D打印传感器技术。该技术可以感知任何环境数据，同时能够进行无线数据传输，并且所有功能都集成于大小仅为2×3英寸的独立平台上，这项技术可能会引发潜在的技术革命。
NASA技术人员正在将小型化技术推向极致。专家Mahmooda Sultana获得了纳米材料探测器平台的研发资金，而该项目可能会引发一场技术革命。从微量气体和蒸汽浓度到大气压力和温度，这种技术能够感知任何环境数据，然后再将数据无线传输，并且所有这些功能都集成于大小仅为2×3英寸的独立平台上。
这项工作的核心是一个3D打印系统，该系统由美国宇航局太空技术任务理事会（STMD）资助，由波士顿东北大学的Ahmed Busnina教授及其团队完成研发。3D打印系统就像印钞或印报纸的打印机一样，但是这种打印机不是使用墨水打印，而是将纳米材料逐层铺设到基板上，从而打印出微型传感器。最终，每个微型传感器都能够检测气体种类、压力水平及温度。Sultana表示，像碳纳米管、石墨烯、二硫化钼这样的纳米材料，具有独特的物理特性，它们在极端条件下非常灵敏且稳定，重量轻、硬化抗辐射、功耗低，是太空应用的理想选择。
在戈达德内部研究与发展计划和STMD中心创新基金资助的几项先前研究的基础上，Sultana和她的团队已经使用相同的技术制造和展示了由碳纳米管和二硫化钼等纳米材料制成的单个传感器。Sultana表示，这些传感器的探测灵敏度能达到百万分之一。
有了200万美元技术开发奖的资金支持，未来两年Sultana和她的团队，将在美国马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心，继续研发自动多功能传感器平台，其目标是通过改进传感器设计和结构，使来传感器的灵敏度达到十亿分之一量级。如果研发成功，该项技术对NASA的主要科学学科都大有裨益，并有助于未来登陆月球和火星。例如，这些微型平台可以部署在行星探测器上来探测微量的水和甲烷，也可以用作监测器或生物传感器以保障宇航员的健康和安全。
通过与东北大学的合作，Sultana和她的团队将进行传感器平台的设计，并确定哪种材料组合最适合测量微量甚至只有十亿分之一浓度的水、氨、甲烷以及氢，而这些物质都是探寻其他太阳系生命不可或缺的元素。然后根据Sultana的设计结果，东北大学将使用纳米级3D打印系统制造该传感器。
在进行打印制造时，Sultana团队将通过铺设额外的纳米颗粒层来增强其灵敏度，并将传感器与数据读取电子元件集成，最后完成整个平台的封装，从而实现各独立传感器的功能化。
该方法与当前制造多功能传感器平台的方式完全不同。常规制造方法是一次构建一个传感器，然后将其与其他组件集成，而3D打印技术允许技术人员在一个平台上打印一整套传感器，极大简化了集成和封装过程。
Sultana计划在同一硅片上打印部分电路，用于与地面控制器通信的无线通信系统，从而进一步简化仪器设计和制造，这是该项目的另一个创新性。打印完成后，传感器和无线天线将被封装在集成相关电子元件、电源和其他通信电路的印刷电路板上。
Sultana表示，这个概念的美妙之处是在同一基板上打印所有传感器和部分电路，消除了许多封装和集成的挑战，这是一个真正的多功能传感器平台。
未来的传感器需要检测十亿分之一量级微量浓度的气体及蒸汽。该项目满足了NASA对低功率、小型、轻量级和高灵敏度传感器的需求，这些传感器可以直接区分重要分子，而不是像目前使用的质谱仪那样，通过测量分子碎片的质量来检测分子。虽然质谱仪可以检测的分子种类较多，特别适用于检测未知样品，但质谱仪难以区分某些分子质量相近的重要物质，如水、甲烷和氨等，而且也很难达到十亿分之一量级或者更高灵敏度。
Sultana表示，实现这项技术的可能性很大，有了资金支持，我们可以将这项技术提升到新的水平，并有可能为NASA提供一种制造定制多功能传感器平台的新方式。并且这项技术适用于所有类型的任务概念和用途，我们用来识别行星体上的气体的方法也可以用来制造生物传感器，来监测宇航员的健康状况以及航天器和生活区内的污染物水平。
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