On-board International Space Station Verification of Autonomous Emulsification Lab-on-Chip Payload: TIGERS-X Project
本文介绍了 TIGERS-X 的设计、地面验证以及在国际空间站上成功的为期 10 天的在轨验证，该装置是一种低成本、远程操作的芯片实验室载荷，利用被动微流控特斯拉阀在微重力环境下演示了自主乳化与流体混合，为未来的空间流体及生物研究建立了一个新平台。
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深空旅行为未来的宇航员带来了一个独特且棘手的难题：在无法依赖重力的情况下，如何制造药物和食物。在地球上，许多液体药物和营养补充剂都是乳液，即微小的油滴悬浮在水中的混合物。制造这些混合物通常需要强大的机器进行旋转或剧烈摇晃，利用重力来帮助分离并重新组合成分。在失重的太空环境中，重力消失了。如果没有重力，油和水根本无法很好地混合，而且强行将它们结合所需的重型机械对于航天器来说过于笨重且耗电。对于可能持续数年的任务（例如前往火星的任务），宇航员无法携带足够的预制补给。他们需要一种方法，能够使用小型、简单的设备，在没有重力的情况下按需制造这些必需的流体。
为了解决这个问题，来自泰国的研究团队向国际空间站发射了一个小型实验，以测试一种新的流体混合方法。他们建造了一个名为 TIGERS-X 的设备，这是一个大约相当于一个大鞋盒大小的紧凑型立方体，可以放入空间站的标准插槽中。在这个立方体内，他们放置了一个微流控芯片，这是一个带有微观通道的微型塑料板。该设备没有使用旋转部件或高速振动器，而是依赖于一种被称为特斯拉阀（Tesla valve）的被动设计。这是一种具有特定曲线和转弯的通道，通过让流体在流动过程中产生旋涡和碰撞，纯粹通过路径的几何形状来实现混合。该团队希望观察这种简单、低能耗的方法是否能在轨道上持续的失重状态下成功混合油和水，而这种条件是地面实验无法完美模拟的。
实验取得了圆满成功，在由曼谷团队完全控制的情况下，自主运行了十天。一旦宇航员安装好这个立方体，就不再需要人工干预。设备将两种不同的液体——一种呈橙色以代表油，另一种呈青色以代表水——泵入微观通道中。立方体内的超高清摄像头记录了流体相遇并混合的过程。研究人员发现，这种被动混合器效果非常出色。在极短的距离内，两种液体就开始破碎并融合，形成了一种颜色交织的复杂图案。这证明了通道的特定形状可以产生必要的湍流，从而在没有重力或重型机械帮助的情况下实现流体混合。
然而，实验也表明，混合过程非常微妙，高度依赖于液体的精确流动。该设备有四个平行的通道，团队观察到其中两个通道以平衡的方式混合了流体，而另外两个的表现则不同。在一组通道中，水和油混合均匀；但在另一组中，一个通道最终几乎全是油，而另一个则几乎全是水。这表明，即使是流体进入系统时极其微小的差异，也会导致截然不同的结果。研究人员利用计算机分析来测量流体在每一点的颜色，绘制了一张详细的混合程度图。他们确认该设备可以产生稳定的混合物，但其一致性取决于对流动路径的精确工程设计。
这项工作具有重要意义，因为它超越了简短的模拟失重测试。以往的抛物线飞行实验只能创造约二十秒的失重状态，无法展示混合物随时间变化的情况。TIGERS-X 实验运行了数日，使团队能够在真实的微重力环境下观察流体的沉降与相互作用。他们发现，由于没有重力将较重的油或水拉向底部，流体保持混合的状态，这在地球上是无法实现的。该设备证明，一个简单、低功耗的芯片可以取代制造必需流体所需的复杂、沉重的机械。研究结果表明，未来的航天器可以携带这些小型、稳健的设备，以便随时制造药物和营养品，这是保持人类在前往月球和火星的长途旅行中健康的至关重要的一步。团队还指出，这项技术最终可以转化为更复杂的任务，例如在太空中培养细胞或创建生物样本，从而开启自给自足式太空探索的新时代。
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