太空環(huán)境與地面完全不同，地面上的經(jīng)驗(yàn)不能直接搬到太空，否則將會(huì)帶來難以想象的后果。而人類要想進(jìn)軍太空，首先要深入研究微重力環(huán)境下的各種有悖常理的現(xiàn)象，掌握規(guī)律以在生命科學(xué)、材料科學(xué)等方面取得突破。

微重力科學(xué)的發(fā)展不僅推動(dòng)解決深空航天任務(wù)難題，也為科學(xué)研究提供了新的領(lǐng)域和途徑。微重力環(huán)境基本消除了沉降、浮力對流和靜壓梯度，對推動(dòng)流體技術(shù)、材料科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用。

微重力環(huán)境主要有四種：落塔、飛機(jī)、火箭和航天器。這之中，在近地軌道運(yùn)行的航天器（空間站）是最為理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。早于1973年，NASA就開始進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)的探索。到了90年代后期，隨著國際空間站的建設(shè)，NASA、歐洲ESA、日本NASDA等空間站的主要參加國紛紛制定了在軌道上的研究戰(zhàn)略計(jì)劃。

(相關(guān)資料圖)

我國的微重力實(shí)驗(yàn)研究從2003年載人航空飛行任務(wù)取得成功后開啟，隨著2021年開始我國神州12號、神州13號的升空，2022年我國空間站“天宮空間站”正式建成，我國近地軌道微重力實(shí)驗(yàn)研究迎來春天。

微重力對于生物醫(yī)學(xué)和藥物研究潛在的價(jià)值，促使一些組織在空間站中進(jìn)行探索性研究，包括安進(jìn)公司、默克公司和J.Craig Venter研究所（JCVI）等。這些研究主要針對解決生物醫(yī)學(xué)藥物研發(fā)和再生醫(yī)學(xué)中遇到的問題，涵蓋疾病領(lǐng)域包括癌癥、感染性疾病、心血管疾病和骨質(zhì)疏松等。

然而，登上空間站做微重力實(shí)驗(yàn)研究需要專業(yè)的器材與知識儲(chǔ)備。一般太空醫(yī)學(xué)企業(yè)都將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容托付于第三方實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與空間站完成，由第三方實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)條件和部分器材，交付空間站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但空間站資源是相對有限的，其他微重力環(huán)境的持續(xù)時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)驗(yàn)需求。

為了滿足大多數(shù)科學(xué)研究的需要，既要有微重力效應(yīng)又能提供足夠長的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在地球上模擬微重力環(huán)境也成為了無數(shù)科學(xué)家目標(biāo)。Firefly Biotech就是這樣一家致力于提供在地球中模擬微重力環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的初創(chuàng)公司。

解決微重力實(shí)驗(yàn)硬件與條件難題

Firefly Biotech是一家成立于2020年的早期初創(chuàng)公司，入選了南澳大利亞大學(xué)創(chuàng)新與合作中心（ICC）和太空創(chuàng)新基金空間風(fēng)險(xiǎn)孵化器（Venture Catalyst Space）合作的計(jì)劃，這是澳大利亞首個(gè)太空相關(guān)計(jì)劃。Firefly Biotech建立了一個(gè)為生物學(xué)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的自動(dòng)化微重力實(shí)驗(yàn)室并提供相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工具。

南澳大利亞是澳大利亞航天業(yè)的中心。2020年，澳大利亞航天局總部在南澳大利亞落成，這是阿德萊德成為“澳洲休斯頓”的第一階段。航天局總部的落成，為澳大利亞航空業(yè)敲開345億美元的全球航天業(yè)的大門，到2030年，將使澳大利亞的太空經(jīng)濟(jì)增長兩倍，達(dá)到120億美元。

背靠航天局總部，南澳大利亞政府不斷出臺(tái)各種計(jì)劃推動(dòng)南澳航天進(jìn)展，多個(gè)大學(xué)和教授加入推動(dòng)生物醫(yī)療等領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。據(jù)報(bào)道，南澳大利亞州有70多家公司雇用了800名業(yè)內(nèi)人士進(jìn)軍航天業(yè)，其中包括意大利航天公司SITAEL。

Giles Kirby是Firefly Biotech的創(chuàng)始人兼首席科學(xué)官，他是諾丁漢大學(xué)再生醫(yī)學(xué)博士。目前， Kirby還在南澳大利亞大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究所擔(dān)任研究員，在MDPI臨床醫(yī)學(xué)雜志擔(dān)任醫(yī)學(xué)編輯。他發(fā)明了一種利用促進(jìn)傷口快速恢復(fù)的敷料，與其他合作者共同開發(fā)了生產(chǎn)環(huán)保、低粘附性組織培養(yǎng)表面的新工藝。

Firefly Biotech創(chuàng)始人兼首席科學(xué)官Giles Kirby

長期致力于研究細(xì)胞療法等再生醫(yī)學(xué)的Kirby在研究過程中發(fā)現(xiàn)，再生醫(yī)學(xué)等生命科學(xué)的未來需要在微重力環(huán)境中取得進(jìn)展性突破，但實(shí)驗(yàn)硬件缺少和門檻過高成了生物學(xué)家進(jìn)一步研究的難點(diǎn)問題。為了解決這一問題，促進(jìn)再生醫(yī)學(xué)等生命科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，Kirby創(chuàng)辦了Firefly Biotech。

澳大利亞第一個(gè)雙軸回轉(zhuǎn)器

在地球上打造一個(gè)供給實(shí)驗(yàn)的微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一件困難的事。一般將10-3g到1g（即0.001g到1g）之間的重力狀態(tài)稱之為微重力。為了提供生物學(xué)家理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，大部分實(shí)驗(yàn)室都需要配備回轉(zhuǎn)器產(chǎn)生微重力效應(yīng)，模擬10-2或10-3（即0.01g或0.001g）g的微重力環(huán)境。但目前市面上大部分的回轉(zhuǎn)器都是單軸回轉(zhuǎn)器，只能達(dá)到10-2（0.01g）的重力。

Firefly Biotech在澳大利亞率先推出雙軸回轉(zhuǎn)器，雙軸回轉(zhuǎn)器能夠達(dá)到10-3（0.001g）的重力環(huán)境，比起之前的單軸回轉(zhuǎn)器，能夠模擬更接近空間站的微重力環(huán)境。

雙軸回轉(zhuǎn)器 來源：Firefly Biotech官網(wǎng)

微重力模擬裝置能夠應(yīng)用在廣泛的生物學(xué)研究領(lǐng)域，包括細(xì)胞培養(yǎng)、癌癥研究、細(xì)胞療法、干細(xì)胞研究、藥物發(fā)現(xiàn)、組織工程、天體生物學(xué)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、胚胎等領(lǐng)域。

除了打造雙軸回轉(zhuǎn)器外，F(xiàn)irefly Biotech還開發(fā)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)雙軸回轉(zhuǎn)器的微重力開源算法，將實(shí)驗(yàn)的各個(gè)部分整合，能夠檢測微生物的細(xì)微變化。在組織工程培養(yǎng)方面，F(xiàn)irefly 將材料化學(xué)與PC2工作流程相結(jié)合，開發(fā)定制的微重力組織培養(yǎng)解決方案，并確認(rèn)使用工業(yè)4.0技術(shù)為醫(yī)療實(shí)驗(yàn)提供高質(zhì)、前沿的醫(yī)療原型樣本。

除了Firefly Biotech這樣的創(chuàng)業(yè)公司致力于開發(fā)雙軸回轉(zhuǎn)器外，NASA也在2022年3月宣布打造雙軸回轉(zhuǎn)器以模仿空間站微重力環(huán)境供給生物學(xué)研究。

寫在最后

微重力環(huán)境的模擬對于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)來說意味著重大突破。地面微重力模擬是隨著航天技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新領(lǐng)域，這也很快成為美國、日本、加拿大等空間大國相繼關(guān)注的重要技術(shù)之一。相比于數(shù)字仿真和理論評估，通過微重力模擬得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性、可靠性更強(qiáng)，具有不可替代的優(yōu)勢。

微重力的模擬主要原理有兩種，一是運(yùn)動(dòng)法，二是力平衡法。目前地面模擬微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要依靠運(yùn)動(dòng)法。運(yùn)動(dòng)法通過使物體按照特定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，讓物體所受的重力幾乎全部用來抵消慣性力或離心力，以此消除重力影響?；剞D(zhuǎn)器利用的就是這種方法。

另外，還有一種利用拋物線法打造實(shí)驗(yàn)環(huán)境的方式。瑞士Nova Space Biotechnology脫胎于蘇黎世大學(xué)，使用大型和小型噴氣式飛機(jī)和亞軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造和測試微重力實(shí)驗(yàn)硬件的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，幫助生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)方案、提供技術(shù)支持和實(shí)驗(yàn)材料的確定。

目前國內(nèi)也有不少企業(yè)提供單軸回轉(zhuǎn)器打造微重力模擬環(huán)境，雙軸回轉(zhuǎn)器在全球范圍內(nèi)都較為稀少，國內(nèi)此資源依賴進(jìn)口。大部分科學(xué)家都認(rèn)為，要攻克疑難雜癥特別是癌癥，希望或許在太空。在我國的空間站上，有兩個(gè)專為生物醫(yī)學(xué)的的研究內(nèi)容，一是“太空腫瘤”，二是“微重力對致病菌生長和生物膜產(chǎn)生的影響”。未來的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境或是突破的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞： 澳大利亞 再生醫(yī)學(xué) 南澳大利亞