美国宇航局和星际迷航联手打造下一代创客

最初的《星际迷航》电视连续剧于 1966 年首播，距今已有五十年，但现代社会仍然受到这项技术的启发，这项技术可以大胆地带领企业号的船员前往以前从未有人去过的地方。剧中使用的通讯器启发了 21 世纪初的翻盖手机，而 PADD（个人访问数据设备）则影响了平板电脑的发展。正如最初的系列中的技​​术激发了工程师和科学家的想象力一样，《星际迷航：下一代》中的设备也同样如此。“我们现在可以称星际迷航中的智能计算机为 Siri，”哥伦比亚广播公司消费产品执行副总裁兼总经理 Liz Kalodner 告诉《大众科学》。（作者注：哥伦比亚广播公司拥有《星际迷航》电视专营权。）“通用翻译器影响了谷歌翻译，而 Geordi La Forge 的护目镜启发了谷歌眼镜。至于今天的虚拟现实，它实际上是全息甲板的实现。科幻小说已经成为科学现实。”

不过，有一项技术尚未被复制，它也许是该系列中最著名的技术——复制机，这是一种可以回收物质来制造任何已编入数据库的物体的机器。当《星际迷航：下一代》于 1987 年首映时，复制机似乎遥不可及，甚至根本不可能实现。但随着消费级和商用 3D 打印机变得越来越普遍，类似复制机的设备的概念已不再那么遥不可及。

今年 2 月，面向年轻发明家举办挑战赛的在线平台未来工程师与美国国家航空航天局、美国机械工程师学会 (ASME) 基金会和星际迷航合作，发起了星际迷航复制器挑战赛。该竞赛旨在激励下一代创客，挑战 K-12 学生（在大学年龄或更大的导师的帮助下）设计一种不可食用食品的数字 3D 模型，以便在 2050 年在国际空间站及以后进行 3D 打印。为未来的宇航员提供解决方案将要求创客们考虑饮食的方方面面，从种植和储存农作物到处理食物垃圾，以及如何以可持续的方式实现这些目标。未来工程师联合创始人兼 ASME 基金会成员 Deanne Bell 告诉《大众科学》 ：“3D 打印也是一种让学生拥有这样一种整体理念的方式：只要你能梦想，你就能创造。” “我们越早向学生介绍这一点，他们的梦想和成就就会越大。”

这些创客可能不是那些认为自己擅长数学或科学的学生。未来工程师联合创始人兼 NASA 太空制造项目经理 Niki Werkheiser 告诉《大众科学》 ，这项比赛旨在教育那些更注重艺术的儿童和青少年，工程是一种心态，而不是学位。“我们需要那种创造力，需要能够跳出思维定势的人，而且设计过程非常有创意，”她说。“很多时候，人们在考虑工程时不会想到这一点。其中一些艺术家是我们最好的设计师。”

任何希望参加星际迷航复制器挑战的人都应该阅读规则，并必须在 2016 年 5 月 1 日之前将自己的设计提交到未来工程师网站上。少年组（5-12 岁）和青少年组（13-19 岁）的所有参赛作品都将在星际迷航复制器挑战画廊中展示。每个类别的获胜者都将获得一次纽约市之旅，与宇航员一起参观企业号航天飞机，以及在无畏号海空太空博物馆体验星际舰队学院的机会，并获得“星际迷航神秘奖品包”。

地球上的 3D 打印

3D 打印，或称增材制造，是由查尔斯“查克”赫尔发明的，并于 1986 年 3 月 11 日获得专利。与计算机发展的早期阶段非常相似，早期的 3D 打印机比我们今天在家里和学校里看到的打印机要大得多。

“计算机的出现，首先进入学校和大学的计算机实验室。我们看到 3D 打印也出现了同样的情况，”3D 打印机制造商 Makerbot 公关总监 Johan-Till Broer 说道。“计算机进入家庭，然后进入笔记本电脑和智能手机。我们看到 3D 打印也有类似的趋势，我们目前的 3D 打印与 80 年代的计算机非常相似。”

Werkheiser 还将现代 3D 打印机与 20 世纪 80 年代的计算机进行了比较，包括它们缺乏用户友好性。“当计算机首次问世时，你必须是一个‘计算机人’才能真正操作计算机，”她说。“现在，计算机非常用户友好，它只是一种可以做我们想做的一百万件事的机制，这就是 3D 打印机的发展方向。他们正在研究如何与这些打印机进行交互，并将其用于你在地球上每天可能遇到的任何有意义的应用。”

2009 年，使用塑料丝（相当于 3D 打印机的墨水）的 3D 打印机专利即将到期，专注于制造更易于使用的桌面 3D 打印机的 Makerbot 等公司开始涌现。然而，五年多过去了，这些桌面 3D 打印机在大多数家庭中并不常见，这是 Broer 所知道的事实。“3D 打印机进入家庭和消费者采用它引起了很多炒作，”他坦言，“如今有消费者在使用 3D 打印机，但仍然是一个很小的群体。”

然而，购买 3D 打印机的学校数量正在不断增加，教育工作者也因此将增材制造纳入课程。事实上，一些学区，如新泽西州蒙特克莱尔的蒙特克莱尔公立学校区，正在投入巨资，为各自学区的每所学校购买 3D 打印机。

Broer 设想，蒙特克莱尔的一名学生在小学开始学习 3D 打印技能，在初中和高中不断磨练这些技能，在进入宾夕法尼亚州立大学或蒙特克莱尔州立大学等学校后与企业家合作创造真正的产品。这两所大学最近都购买了一个 Makerbot 创新实验室（一个拥有 30 台或更多台联网 3D 打印机的实验室，这些打印机均来自 Makerbot）。“当你以这种方式思考时，看到一名学生从小就开始学习，并有一天进入职场，你就能真正看到 [童年学到的技能对一个人一生的影响]。”

教授 3D 打印或任何科学、技术、工程或数学 (STEM) 课程中的科目，不仅仅涉及单个科目。“其核心是解决问题，”Broer 说，“学生之间的合作以及从失败中学习。这些是帮助这些学生取得成功的核心技能。”

学生们正在利用 3D 打印技术取得成功。今年的白宫科学博览会上有五位参赛者，包括三位个人发明家和两个团队，他们用 3D 打印技术打印了自己项目的原型或最终版本。参赛者中最年轻的是九岁的 Jacob Leggette，他让一家打印机公司捐赠了一台打印机，以换取他们对当时只有八岁的孩子使用打印机的反馈。随着 3D 打印机在地球、国际空间站和其他地方越来越普遍，它们需要对所有年龄段的创客都友好。

太空中的 3D 打印

随着星际迷航复制器挑战赛接近尾声，NASA 正准备 3D 打印首届未来工程师挑战赛 [2014 年] 的优胜设计，即当时还是高中生的罗伯特·希兰 (Robert Hillan) 设计的多功能精密维护工具。“我希望它尽可能实用，而且我知道 NASA 非常注重节省空间和减轻重量，所以我设计了一种多功能工具，”现在就读于阿拉巴马大学亨茨维尔分校航空航天与机械工程专业的希兰告诉《大众科学》杂志。他的工具将是有史以来第一个在国际空间站 (NASA 员工称之为“空间站”或简称为“空间站”) 上 3D 打印的学生设计产品，并将于年底前打印完成。

在空间站上进行 3D 打印的能力对 NASA 来说越来越重要。Werkheiser 保守估计，在任务期间使用的 40% 的零件和材料会在某个时候失效。NASA 必须为每个零件准备备份，因为他们不知道哪些零件需要更换。“在空间站上，我们仍然认为操作和规划非常依赖地球，因为机组人员距离地球有几个小时的路程，”Werkheiser 说。

太空制造

过去，火箭上装载的每一件物品在发射到空间站之前都必须经过 NASA 安全小组的检查。NASA 宇航员在国际空间站上甚至不允许携带叉子，因为叉子可能会戳到宇航员的眼睛。取而代之的是，他们每人都得到一把细长的勺子用来吃饭，如果丢失了也无法得到替换。因此，勺子自然而然地成为宇航员要求 NASA 设计和打印的物品清单中的首选。“这是为了舒适，但也是现实生活中的必需品，”Werkheiser 说。“你必须吃饭，这似乎非常重要。”现在，安全小组会得到一份打印版的物品，并且必须相信空间站上打印的物品与他们检查的物品完全相同，因为它们都是基于同一模型制作的。 Werkheiser 还提到了指挥官 Barry “Butch” Wilmore 在空间站逗留期间要求的另一件物品——一个组装好的（3D 打印物品，必须分成多块制作，因为它比打印机的体积大）挠痒器。空间站的干燥环境使他的皮肤变得干燥，并使其发痒。“当然，他要的第一件物品，”她开玩笑说，“是一个可以挠痒的长而尖的物体。”

长期探索任务，例如人类登陆火星或小行星的任务，则会带来更大的问题。NASA 的火星探索任务大约需要三年才能完成；宇航员需要九个月才能到达这颗红色星球，他们将在火星表面停留 12 到 18 个月，然后再花九个月返回地球。如果某个部件在运输途中或地面上出现故障，宇航员不能依赖 NASA 为他们更换。然而，增材制造正在改变 NASA 的运作方式。

每次任务对火箭内可发射物体的体积和质量都有非常严格的限制。Werkheiser 表示，为期三年的探索任务将产生约 700 公斤（超过 1500 磅）的垃圾，包括但不限于塑料袋、泡沫和食物容器。这些垃圾占用了飞船上宝贵的空间，需要 NASA 购买额外的燃料来克服火箭的质量并将其送入轨道。NASA 不必在飞船上装载相当于三年的备件的额外重量，而是装载足够的细丝来替换统计上会失效的 40% 的部件，从而减少发射材料的质量和体积。

3D 打印机还可以防止再次出现类似阿波罗 13 号的情况，即 NASA 无法解释的问题。如果发生这种情况，NASA 工程师可以设计必要的部件，并在飞船或地面栖息地为机组人员远程打印。

另一项最终将减少发射重量的技术是长丝回收器，目前由 Tethers Unlimited 制造。一旦需要 3D 打印物体的工作完成，该物体就可以熔化并重新打印成完全不同的东西，从而减少每次任务所需的长丝。回收器预计将于 2017 年底完成并发射到空间站。

NASA 意识到这一切看起来都太过超前，在增材制造完全融入 NASA 的运营之前，还有许多工作要做。必须进行测试，以查看微重力是否会以及如何影响打印期间和打印之后的灯丝。不过，初步结果看起来很有希望，地球重力不会造成下垂，这可能使工程师能够以地面上不可能实现的新方式进行设计。“这听起来就像我们在谈论《星际迷航》一样，”Werkheiser 承认，“但这确实将这些变成现实，因为这些技术目前正在地面上开发。”

2050 年的 3D 打印

3D 打印机成为主流消费技术的最大挑战之一是普及性。并非每个家庭都有 3D 打印机，而且使用 3D 打印机需要具备 CAD（计算机辅助设计）3D 建模软件的知识。不过到 2050 年，这些知识可能就不再必要了。

“看看按需媒体和应用程序的兴起，”贝尔说。“很明显，人们想要他们喜欢的东西，只要他们想要，而且价格可以承受。我不认为每个人都想要独一无二的产品，也不是每个人都愿意花时间亲自设计这样一款独特的产品。但是，当我们能够随时随地以我们想要的质量和成本 3D 打印出我们喜欢的东西时，按需硬件将变得像按需媒体一样普遍。”

Hillan 同意，让这项技术更加普及的第一步不是教每个人用现有的软件进行设计，而是开发可以让每个人都成为设计师的应用程序。“最有助于克服这一障碍的是……AutoCAD 软件，它允许你告诉计算机你想要什么，给它一些你想要的设计的尺寸和特征，然后计算机就会生成自己的物体设计。我认为我们需要朝这个方向发展——让计算机设计物体。”

无论设计如何找到制造商，并非所有需要 3D 打印的东西都可以用线材制造。2015 年 8 月，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室发明了一台 3D 打印机，可以同时打印多达十种材料。它还允许将电路和传感器等电子设备嵌入物体中，Werkheiser 表示这对于 NASA 的火星路线图至关重要。“我们知道，空间站上大约 30% 的故障都是电子故障，”她说，“所以我们需要具备这种能力。”

随着增材制造越来越受欢迎，它还将允许对物品进行更多的定制。阿迪达斯、耐克和新百伦都尝试过 3D 打印鞋子或鞋子的部件。布罗尔看到了未来的更大潜力，任何人都可以走进一家鞋店，测量脚的尺寸，然后带着一件完全适合自己脚型的定制产品走出来。

不仅仅是鞋子。扳手、家具，甚至超级跑车和枪支都已经通过 3D 打印出来。随着消费者和制造商能够使用更新、更易于使用且可以使用更多材料的机器，可以创造的东西的可能性是无穷无尽的。“随着增材制造技术的进步和材料的改进，”贝尔说，“我们将开始看到更多工程师利用 3D 打印的优势进行设计——更复杂、设计迭代速度更快，以及传统制造方法无法实现的内部功能。”