太空環(huán)境與地面完全不同，地面上的經(jīng)驗不能直接搬到太空，否則將會帶來難以想象的后果。而人類要想進軍太空，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、材料科學等方面取得突破。

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

微重力環(huán)境主要有四種：落塔、飛機、火箭和航天器。這之中，在近地軌道運行的航天器（空間站）是最為理想的實驗環(huán)境。早于1973年，NASA就開始進行微重力實驗的探索。到了90年代后期，隨著國際空間站的建設，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)略計劃。

(相關資料圖)

我國的微重力實驗研究從2003年載人航空飛行任務取得成功后開啟，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驗研究迎來春天。

微重力對于生物醫(yī)學和藥物研究潛在的價值，促使一些組織在空間站中進行探索性研究，包括安進公司、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)學藥物研發(fā)和再生醫(yī)學中遇到的問題，涵蓋疾病領域包括癌癥、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驗研究需要專業(yè)的器材與知識儲備。一般太空醫(yī)學企業(yè)都將實驗內(nèi)容托付于第三方實驗平臺與空間站完成，由第三方實驗平臺提供實驗條件和部分器材，交付空間站進行實驗。但空間站資源是相對有限的，其他微重力環(huán)境的持續(xù)時間也遠遠達不到實驗需求。

為了滿足大多數(shù)科學研究的需要，既要有微重力效應又能提供足夠長的實驗時間，在地球上模擬微重力環(huán)境也成為了無數(shù)科學家目標。Firefly Biotech就是這樣一家致力于提供在地球中模擬微重力環(huán)境進行實驗的初創(chuàng)公司。

解決微重力實驗硬件與條件難題

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創(chuàng)新與合作中心（ICC）和太空創(chuàng)新基金空間風險孵化器（Venture Catalyst Space）合作的計劃，這是澳大利亞首個太空相關計劃。Firefly Biotech建立了一個為生物學領域設計的自動化微重力實驗室并提供相應實驗工具。

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)濟增長兩倍，達到120億美元。

背靠航天局總部，南澳大利亞政府不斷出臺各種計劃推動南澳航天進展，多個大學和教授加入推動生物醫(yī)療等領域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。據(jù)報道，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)始人兼首席科學官，他是諾丁漢大學再生醫(yī)學博士。目前， Kirby還在南澳大利亞大學未來產(chǎn)業(yè)研究所擔任研究員，在MDPI臨床醫(yī)學雜志擔任醫(yī)學編輯。他發(fā)明了一種利用促進傷口快速恢復的敷料，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)始人兼首席科學官Giles Kirby

長期致力于研究細胞療法等再生醫(yī)學的Kirby在研究過程中發(fā)現(xiàn)，再生醫(yī)學等生命科學的未來需要在微重力環(huán)境中取得進展性突破，但實驗硬件缺少和門檻過高成了生物學家進一步研究的難點問題。為了解決這一問題，促進再生醫(yī)學等生命科學領域的進步，Kirby創(chuàng)辦了Firefly Biotech。

澳大利亞第一個雙軸回轉(zhuǎn)器

在地球上打造一個供給實驗的微重力實驗環(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。為了提供生物學家理想的實驗環(huán)境，大部分實驗室都需要配備回轉(zhuǎn)器產(chǎn)生微重力效應，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用在廣泛的生物學研究領域，包括細胞培養(yǎng)、癌癥研究、細胞療法、干細胞研究、藥物發(fā)現(xiàn)、組織工程、天體生物學、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、胚胎等領域。

除了打造雙軸回轉(zhuǎn)器外，F(xiàn)irefly Biotech還開發(fā)了一個驅(qū)動雙軸回轉(zhuǎn)器的微重力開源算法，將實驗的各個部分整合，能夠檢測微生物的細微變化。在組織工程培養(yǎng)方面，F(xiàn)irefly 將材料化學與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，并確認使用工業(yè)4.0技術為醫(yī)療實驗提供高質(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)境供給生物學研究。

寫在最后

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

微重力的模擬主要原理有兩種，一是運動法，二是力平衡法。目前地面模擬微重力實驗環(huán)境主要依靠運動法。運動法通過使物體按照特定的規(guī)律運動，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。回轉(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驗環(huán)境的方式。瑞士Nova Space Biotechnology脫胎于蘇黎世大學，使用大型和小型噴氣式飛機和亞軌道系統(tǒng)設計、建造和測試微重力實驗硬件的經(jīng)驗和技術，幫助生命科學領域?qū)嶒瀯?chuàng)建實驗方案、提供技術支持和實驗材料的確定。

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)此資源依賴進口。大部分科學家都認為，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，有兩個專為生物醫(yī)學的的研究內(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)學領域，微重力實驗環(huán)境或是突破的關鍵所在。

關鍵詞： 澳大利亞 再生醫(yī)學 南澳大利亞