科学のグローブボックス：宇宙実験の謎を解明

星空を見上げると、未知の天体に対する好奇心に加え、宇宙はとても「きれい」だという思いを抱くことが多いです。結局のところ、宇宙は強力な放射線で満たされており、真空に近い環境は細菌やウイルスなどの微生物にとって「生命禁断の領域」となっているようです。

しかし、本当にそうなのでしょうか?

答えはもちろんノーです。

地球から数百キロ離れた宇宙ステーションでは、宇宙飛行士は常に何百万もの細菌や微生物と同じ部屋で生活しています。これらの細菌はどこから来るのでしょうか?それらは宇宙ステーションや宇宙飛行士の生活、仕事、さらには健康にどのような影響を与えるのでしょうか?

宇宙ステーションの微生物

まず第一に、人体自体が微生物の巨大な「コロニー」であることを知っておく必要があります。宇宙飛行士が地球を出発し、宇宙ステーションへの旅に出ると、彼らの体に寄生する微生物も宇宙の旅を始めます。宇宙ステーションの建設や資材供給の過程では、大量の機器や生活必需品が継続的に宇宙に輸送されます。打ち上げ前には厳重な洗浄と消毒が行われるが、それでも細菌や微生物が潜んでおり、宇宙飛行士や貨物とともに宇宙ステーションに侵入するのを防ぐことは不可能だ。 （この記事は宇宙ステーションの科学的なグローブボックスに関するものであり、必ずしも他の惑星にまで及ぶものではありません。）

一部の微生物は宇宙という極限の環境で粘り強く生き延びただけでなく、ある程度の繁殖能力も保持していることがわかった。宇宙環境では、ほとんどの微生物の生化学活動がさらに活発になり、薬剤耐性が大幅に強化され、あたかも特別な「進化の旅」に乗り出したかのようです。

宇宙は無菌環境ではないので、宇宙ステーションの清潔で密閉された空間で行う必要のある実験を厳格かつ秩序正しく実行するにはどうすればよいでしょうか。ここで、宇宙ステーションの重要な科学研究機器である科学グローブボックスについてお話しします。

科学グローブボックス

「科学的なグローブボックス」という名前を聞くと、多くの人が混乱するかもしれません。ワードローブが衣服を収納するのに使われ、宝石箱が宝石を収納するのに使われるのと同じように、この箱は宇宙飛行士が実験に必要な手袋を収納するためだけに使われているのでしょうか?

もちろん違います。科学用グローブボックスの内部構造は精巧かつ複雑で、その機能は非常に強力です。手袋は付属していますが、日常生活でよく見かける普通の手袋ではありません。天宮宇宙ステーションの科学用グローブボックスには、密閉された清潔なグローブボックス内で宇宙飛行士が実験操作を行えるように、4 つの手袋が丁寧に装備されています。手袋のうち 2 つはフロント ウィンドウに配置され、残りの 2 つは左右のサイド ウィンドウに対称的に配置されます。このレイアウトにより、2 人の宇宙飛行士が実験操作で協力できるようになり、実験の効率が大幅に向上します。

それだけでなく、グローブボックスのフロントウィンドウには密閉された二重層のドアが2つあります。この設計により、実験装置やサンプルの迅速な交換が可能になります。さらに、さまざまな種類の実験を「パーソナライズ」して正確に制御するために、グローブボックスには多数のセンサーも装備されています。これらのセンサーは、グローブボックス内の主要部品の電圧と電流信号をリアルタイムで正確に記録し、同時に温度、湿度、光強度、風速などの環境パラメータを「パーソナライズ」して正確に制御し、グローブボックスと内蔵実験装置のリアルタイムの動作状態を完全に反映します。

科学用グローブボックス内のロボットアーム

実験に高精度の操作が必要な場合は、グローブボックス内の精密ロボットアームシステムが役立ちます。精密ロボットアームシステムには、動作精度が最大 0.2 mm の 6-DOF 器用なロボットアーム、動作精度が最大 5 ミクロンの 3-DOF マイクロマニピュレーター、動作精度が最大 2 ミクロンの 3-DOF セルクランプ機構、動作精度が最大 2 ミクロンの 3-DOF ステージ、および高倍率顕微鏡カメラが含まれます。これらの精密機器の協調操作により、科学用グローブボックスは、宇宙飛行士が軌道上で最大 5 ミクロンの精度で実験操作を完了するのを支援し、生命科学分野の多くの主要なトピックに強力な技術サポートを提供します。

科学用グローブボックスの適用範囲は非常に広いです。生命科学、バイオテクノロジー、航空宇宙医学、材料科学など、複数の分野の研究ニーズを考慮に入れています。これは、宇宙ステーションの科学研究者が微視的世界とつながる「科学的な架け橋」を築き、宇宙の謎を探求するためのものです。しかし、生命科学や材料科学といった高度に専門的な分野に直面したとき、宇宙飛行士はグローブボックスからフィードバックされる専門的な情報を正確に解釈し、さまざまな困難な実験操作を成功させることができるのでしょうか。

実際、科学研究チームは、科学用グローブボックスを設計する際に、この点を十分に考慮していました。科学グローブボックス精密ロボットアームシステムには 3 つの動作モードがあります。1 つ目は軌道上自律動作モードです。このモードでは、精密ロボットアームシステムは、内蔵のインテリジェント制御ソフトウェアを利用して、実験ターゲットを独自に識別および分析し、事前に設定されたプログラム手順に従って一連の複雑な操作を正確に完了します。 2つ目は軌道上遠隔操作モードです。実験タスクで対象物の精密な操作が必要な場合、宇宙飛行士は外部のラップトップ コンピューターを使用して精密ロボット アーム システムを制御できます。最後は地上から宇宙への遠隔科学モードです。極めて高度な専門知識を必要とする実験プロジェクトの場合、遠く離れた地球上の科学者チームは、地上のコンピューターに設定されたヒューマンマシン操作インターフェースを介して宇宙ステーションの精密ロボットアームシステムを遠隔制御し、実験対象に対して精密な操作を実行することができます。

宇宙ステーションでの科学研究作業の強力なアシスタントとして、科学用グローブボックスは、その精巧な設計、強力な機能、柔軟で変更可能な作業モードにより、宇宙科学実験のための密閉されたクリーンな操作空間を提供し、精密な実験を完了するための便利なプラットフォームも提供します。科学技術の継続的な進歩と革新により、科学用グローブボックスはさらに重要な役割を果たすようになると信じています。

一部の情報は、中国科学院、中国新聞網、NASA などから提供されています。

（科学評論：国際宇宙連盟（IAF）衛星商業応用委員会アジア太平洋事務所所長兼研究員、朱林奇）

この記事は中国デジタル科学技術博物館から提供されたものです。