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1    項(xiàng)目背景介紹

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的科學(xué)手套箱是我國(guó)空間站13個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一，安裝于問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙。2022年7月24日，科學(xué)手套箱隨我國(guó)“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射升空，目前科學(xué)手套箱已經(jīng)完成在軌全部的加電測(cè)試工作，產(chǎn)品一切正常，完全滿足任務(wù)書(shū)各項(xiàng)要求。

2    項(xiàng)目目標(biāo)與原則

科學(xué)手套箱作為多用途服務(wù)設(shè)施，可以支持廣泛的研究主題，能夠有效拓展空間開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，成為空間站航天員（包括載荷專(zhuān)家）直接參與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要裝備。

3    項(xiàng)目實(shí)施與應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所科學(xué)手套箱研制團(tuán)隊(duì)從2014年開(kāi)始，歷時(shí)8年攻關(guān)，攻克了面向細(xì)胞操作的微米級(jí)精度機(jī)械臂系統(tǒng)、溫濕光風(fēng)氣高度集成的環(huán)境控制系統(tǒng)等一系列高難度關(guān)鍵技術(shù)，完成了原理樣機(jī)、結(jié)構(gòu)工藝件、電性件、鑒定件和正樣件5套產(chǎn)品的研制。據(jù)公開(kāi)信息，我國(guó)空間站科學(xué)手套箱與國(guó)際空間站上手套箱相比，除了具有實(shí)驗(yàn)過(guò)程可觀、可測(cè)、可控、可換等相同能力外，我國(guó)科學(xué)手套箱還具有獨(dú)一無(wú)二的精密機(jī)械臂操作系統(tǒng)，填補(bǔ)了世界空白，處于世界領(lǐng)先地位。

科學(xué)手套箱的設(shè)計(jì)統(tǒng)籌了生命科學(xué)、生物技術(shù)、航天醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的需求，為科學(xué)家在太空開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)270公升工作空間、四周為亞克力透明窗的封閉設(shè)施。手套箱有四個(gè)手套口，兩個(gè)位于前窗上，兩個(gè)分別位于左右側(cè)窗，可以支持兩名航天員同時(shí)操作實(shí)驗(yàn)或使用該設(shè)施，既保護(hù)航天員免受與實(shí)驗(yàn)材料和樣品直接接觸帶來(lái)的潛在交叉污染，又避免手套箱內(nèi)環(huán)境和空間站艙內(nèi)環(huán)境直接互通帶來(lái)的環(huán)境污染。手套箱前窗上還設(shè)有兩個(gè)密封的雙層門(mén)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置和樣品在潔凈環(huán)境下的快速更換。此外，手套箱內(nèi)的溫度、濕度、光照、風(fēng)場(chǎng)等可實(shí)現(xiàn)“個(gè)性化”精確控制。

在科學(xué)手套箱內(nèi)部，設(shè)計(jì)了一套精密機(jī)械臂系統(tǒng)，可供科學(xué)家們開(kāi)展空間生命科學(xué)和生物技術(shù)前沿科學(xué)研究。這套系統(tǒng)包括一個(gè)操作精度高達(dá)0.2毫米的6自由度靈巧機(jī)械臂、一個(gè)操作精度高達(dá)5微米的3自由度微操作器、一個(gè)操作精度高達(dá)2微米的3自由度細(xì)胞夾持機(jī)構(gòu)、一個(gè)操作精度高達(dá)2微米的3自由度載物臺(tái)和一個(gè)高倍顯微相機(jī)等。通過(guò)對(duì)上述設(shè)備的協(xié)同控制，可以滿足細(xì)胞級(jí)精度的微操作，特別適用于細(xì)胞微操作實(shí)驗(yàn)，如細(xì)胞DNA或藥物注入（微注射）、細(xì)胞組織切除（微切割）、細(xì)胞液提取（微提取）等。

科學(xué)手套箱精密機(jī)械臂系統(tǒng)具有三種工作模式：在軌自主運(yùn)行模式由精密機(jī)械臂系統(tǒng)智能控制軟件自主完成對(duì)目標(biāo)的操作；在軌遙操作模式由航天員通過(guò)外接筆記本電腦配置的人機(jī)操作界面完成對(duì)目標(biāo)的操作；天地遙科學(xué)模式由科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在地面通過(guò)電腦配置的人機(jī)操作界面完成對(duì)目標(biāo)的操作。

4    效益分析

科學(xué)手套箱的成功研制，有望推動(dòng)我國(guó)在空間生命科學(xué)、空間生物技術(shù)、航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)出一批世界一流的科學(xué)成果。中國(guó)空間站建造完成后，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家將可以利用科學(xué)手套箱等設(shè)施在軌開(kāi)展廣泛的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)研究，包括空間生命科學(xué)和生物技術(shù)、空間材料科學(xué)、微重力流體和燃燒科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理等，檢驗(yàn)理論并突破知識(shí)界限。利用空間科學(xué)研究獲得的結(jié)果，將可以改進(jìn)地面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量，甚至發(fā)明新的產(chǎn)品，從而改善人類(lèi)在地球上的生活質(zhì)量。此外，航天員在太空中的科學(xué)活動(dòng)還將產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益。