警报响起时，他已经重新站稳，希望漫游车没有在拍摄，但他知道它肯定在——他脸朝下摔倒在火卫一表面的画面已被永久记录下来。头盔的面罩光纤显示屏发出不祥的闪烁：宇航服破损。他的身体，或者其中一小部分，已经暴露在火星卫星原始、无空气的真空中。
宇航员可能死于多种方式，但减压是最可怕的一种。宇航服被刺穿意味着与死神赛跑，争分夺秒地回到安全地带，否则围绕身体的纯氧保护层将消散，缺氧将导致人员昏迷。快速失压并非爆炸式，但过程却很糟糕：身体内的水分开始蒸发并试图逸出，肺部塌陷，循环系统停止。
然而，今天没人会死，至少在火卫一上不会。他穿的宇航服不是充气气球。实际上，它是反过来的——一种“挤压式”宇航服，具有智能记忆合金的网格结构，紧贴身体，用直接的机械反压取代了氧气缓冲。其结果是贴合身形且灵活；它需要更少的能量来移动，并增加了宇航员步行的范围。而且，一旦发生破裂，宇航服仍然可用：可以用太空探险家相当于“创可贴”的东西当场修补，其自身的形状记忆合金会收紧以封堵破损处。
当补丁修补好时，警报已经停止。表皮生物传感器和路径规划算法缩短了宇航员在表面上的行程，从六英里缩短到四英里多。等他的心率稳定下来，他会联系任务控制中心，为这次“抄近路”争辩。一个严重的瘀伤不会要他的命。而且，他已经离家一亿英里，不能就此折返。
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要让人类进一步探索太阳系——前往小行星、火星卫星，甚至火星本身——他们将需要一种新型宇航服：一种能够让他们在深空中旅行，轻松地穿越外星地表，并在各种可能致命的危险中生存。麻省理工学院航空航天生物医学工程师兼技术与政策项目主任Dava Newman表示：“如果一个充气式宇航服出现一个小孔，那将是一场重大紧急事故。任务结束；尽快返回你的安全区域。”
即使是当今最先进的宇航服也仅限于近地轨道——而且有一套从未被设计成离开航天器。在1986年“挑战者号”灾难后，美国国家航空航天局（NASA）开始使用先进乘员逃生服（ACES），以在发射和再入期间保护航天飞机宇航员。但它几乎不适合执行任务。由于航天飞机的控制系统并非为穿着宇航服操作而设计，飞行员通常会摘下手套，使他们容易受到快速失压的威胁。宇航服的生命支持系统是临时的，用胶带将软管固定在整个驾驶舱内。现在航天飞机计划已经结束，宇航员穿着1973年推出的俄罗斯同类ACES。
NASA的另一套宇航服，舱外活动单元（EMU），与其说是一件服装，不如说是一个价值数百万美元、装有液体冷却管道的太空舱。它在太空行走时穿着，首次接触太空是在1983年；其大部分面料在冷战时期就已经是最先进的了。尽管该宇航服的制造商ILC Dover一直在试验自修复聚合物，尽管NASA一直在推动开发气凝胶等先进材料用于超薄隔热，但这些技术尚未应用到EMU中。
下一代的太空飞行不应该将就于“旧装备”，尤其是在世界各地的实验室里，无数新材料和新设计正在孕育之中。随着商业公司即将接管轨道和亚轨道发射，以及登陆火星的使命的初步回响，将有更多人进入太空，其中一些人将进行长途旅行。他们理应穿上不仅能保证他们安全，还能匹配他们雄心的宇航服。
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发射服
第一批新型宇航服将是ACES的精简升级版，但它们将不再是为“目光锐利的导弹人”设计，而是为那些支付了数十万美元将被送入太空的新一批飞行员和乘客设计的。这些被称为舱内活动服或发射-再入服，是太空产业的“下拉式氧气面罩”，其真正的功能——包括加压和一定程度的生命支持——在紧急情况下才会启动。
在其与一家宇航服制造商的初步合同中，SpaceX规定加压服必须看起来“很酷”。随着设计师首次与NASA以外的客户打交道，他们被迫接受新的挑战。在与宇航服制造商Orbital Outfitters的初步合同中，SpaceX规定加压服必须看起来“很酷”。Orbital Outfitters的首席设计师Chris Gilman说：“政府合同里不会有这种措辞。我喜欢它。”然而，酷炫的太空服设计也存在障碍。发射-再入服笨重，是一件超大的连体衣，内置了头盔和手套的硬质接口，并且有足够的空间在加压时像篮球一样膨胀——尤其是在座位部分，这样宇航员就不会被迫站起来。Gilman计划用战术缝线来解决这种“松垮的臀部”。Final Frontier Design的联合创始人Ted Southern，该公司通过Kickstarter众筹平台为其3G宇航服获得了初步资金，他希望像时装设计师那样，利用图案来改善合身性。“我真的认为这就是关键，”他说。“它越拟人化，看起来就越酷。”
这是太空服设计的新业务：满足商业客户的需求，无论是将生存能力融入更纤细的包装，还是在结构和材料选择上提出新颖、节省成本的创新。3G宇航服——第一件预计最早于1月交付给西班牙航空航天初创公司zero2infinity——消除了部分金属部件。Final Frontier正考虑用高性能塑料替换其他部件。对于Orbital Outfitters为XCOR Aerospace的亚轨道双座“Lynx”提供IS3宇航服，该公司正在探索一次性组件。诸如密封宇航服的内层等组件可以在每次发射前更换。
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探索服
要超越近地轨道，宇航员将需要不仅仅是新的发射-再入服。他们需要一套通用的探索服。NASA最近推出了其Z-1宇航服，这是其测试设计系列中的第一款。Z-1在关节处装有轴承，使其比目前的舱外活动（EVA）模型EMU更具活动性。它还有一个后置入口，可以将宇航服变成独立的“气闸”，使其能够停靠在栖息地侧面，以避免带入磨蚀性的月壤或腐蚀性的火星土壤。接下来，该机构将开始研制Z-2，并将这两套宇航服的最佳特性整合到Z-3中。如果一切按计划进行，Z-3将于2017年从国际空间站进行首次太空行走。
然而，无论Z-3在轨道上采用什么特性，它不太可能包含当今最先进的材料，或者解决EVA宇航服的最大缺点：它们是人形气球，充斥着足够的氧气来维持可生存的压力。移动时，宇航员75%的能量都消耗在对抗自己的服装上，费力地弯曲和伸展他们巨大的气球般的四肢，只有25%用于实际的探索任务。
麻省理工学院的Newman希望颠倒这个比例。自1999年以来，她一直在开发BioSuit，一种用机械反压（MCP）取代气体加压的宇航服。MCP不是泵入保护性的空气缓冲层，而是施加均匀的全身挤压，通过机械力复制足够的大气压力。由此产生的宇航服移动更轻松，只消耗宇航员25%的能量。由于机械反压在破裂时易于恢复，它也将更加耐用。
宇航员需要一种能够应对高速飞行的陨石坑表面和红色星球上的沙尘暴的宇航服。要实现MCP，Newman需要一种新材料——一种能够紧密贴合、适应人体复杂曲线，同时又能随运动而变化的材料。“在过去的几年里，我们研究了14种候选技术，”她说。“现在，我们已经缩小到三个。”一种选择是电介质弹性体，它们通过电流膨胀或收缩，充当低功耗执行器。另一种是形状记忆合金，这是一个统称
指灵活的金属，它们可以恢复其原始形状和特性。Newman的团队正专注于编织多种合金，包括镍钛合金，一种根据温度变化而变形和恢复的材料。
“我认为我们已经证明了技术可行性，”Newman说。她估计，每年只需要几百万美元，她就可以将这项技术扩大规模，在三到五年内生产出真正的宇航服。
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梦想中的宇航服
载人深空任务面临的障碍是巨大的：能够经济地往返火星的推进系统，能够保护船员免受一年航行期间致命的银河宇宙射线的航天器。不会是明年，甚至可能不是下个十年，但当远距离太空探索的日子到来时，宇航员将需要一套能够应对各种环境的宇航服，从高速飞行的陨石坑表面到红色星球上的沙尘暴。要建造它，设计师将需要一套新的材料装备，每种材料都能赋予新的功能。
宇航服中遍布的导电纳米线和电活性聚合物可以从宇航员的运动中收集能量，将加压头盔的面罩变成半透明的光纤平视显示器。叠加在面罩上的本地地图和预设路线可以通过语音命令切换。其他数据可能来自表皮生物传感器，通过算法过滤，建议放慢速度以优化能量和空气供应。即使是怀疑能否在短期内实现全身MCP的工程师，也设想了有限的应用，例如无气手套。
根据目的地，设计师可以更换其他组件。前往小行星的宇航服可能会配备利用壁虎皮肤干性粘附效应的鞋底，使其能够在几乎任何条件下附着到表面，包括快速旋转的天体上的近零重力。Draper实验室正在开发的稳定器可以安装在宇航服的手臂和腿上：小型陀螺仪，带有微型旋转盘，它们会提供阻力，制造出地球引力的感觉，并可能减少零重力下的迷失方向。
火星带来了自己的挑战，包括温度在70°F到–225°F之间波动。“在火星上，有季节，”NASA的太空服工程师Amy Ross说，她参与了Z-1项目。“你可能真的需要你的轻便春季外套和厚重冬季大衣。”Ross设想提供各种重量的、可拆卸的全身连体服，而Newman则在推动真正的外套——一种仅几毫米厚的、气凝胶层复合服装，具有足够的浸渍气体绝缘层，能够承受最恶劣的火星温度下降。ILC Dover开发的一种受荷叶启发的涂层——它模仿了该植物的防滑、自清洁特性——可以限制带入车辆和设施的灰尘量。
Final Frontier正在研究纳米结构或粉末状化合物，用于轻质、柔韧的辐射防护——这是未来宇航服面临的最大挑战之一。目前的舱外宇航服没有辐射防护，迫使NASA只能限制宇航员职业生涯中的太空行走次数。
正如Orbital Outfitters的Gilman指出的那样，“太空服充满了看不见的微妙之处。”每一盎司的质量，以及材料之间每一个潜在的相互作用，都增加了这个已经复杂得令人难以置信的系统的复杂性。尽管如此，这可能就是未来太空服的样子——不是阿波罗时代装备的渐进式升级，而是多项研究领域所能提供的最佳成果。宇航员真正探索太阳系的能力将取决于材料工程师拥有的材料。其中一些材料可能永远无法在太空中使用。但那些能够使用的材料，可能意味着在原地象征性地迈出几步，与一次值得1亿英里飞行的漫步之旅之间的区别。
Erik Sofge在马萨诸塞州撰写关于科学、技术和文化的内容。
请在下一页查看未来太空服的详细介绍。
未来宇航服
为了让宇航员探索深空，宇航服必须更时尚、更智能、机动性更强。许多能够实现这一点的材料目前都存在于实验室中。
——Elbert Chu
量身定制
未来的宇航服可能不会采用气体加压，而是使用形状记忆合金，例如波士顿Midé Technology公司生产的Nitinol线织物，以施加稳定的机械反压。合金会经过加热处理，在宇航员穿上后紧密贴合，同时也能适应运动。
增强视觉
如今的宇航员通过塑料观察；未来的面罩可能由一种名为ALON的透明陶瓷制成，它比防弹玻璃更薄，强度是其三倍。Lumus Optical公司为F-16飞行员开发的平视显示器，可能会迁移到太空头盔中，作为全彩显示屏，通过光学棱镜将光引导到眼睛。
泡沫缓冲
身体的凹陷区域可能需要另一种形状记忆材料来调节宇航服的反压。Syracuse生物材料研究所已经开发了这项技术的基础：碳纳米纤维，它们在通电时产生热量，这可能导致泡沫膨胀到预设的形状。
冷却系统
目前的宇航服通过300英尺的管道循环水来带走体热。普渡大学
大学的工程师们创造了一种可以绝缘管道并产生能量的技术：玻璃纤维（未来可能是聚合物），表面覆盖有热电纳米晶体，它们吸收热量并释放电能。
保护壳
机械反压的任何一次错误挤压都可能伤及内脏。一个刚性、完全加压的外壳将提供保护，同时又不限制宇航员的活动。为了尽量减少体积并使硬质和软质材料之间的接触点舒适，每个外壳都将通过3D打印来匹配用户。
自愈手套
到目前为止，对抗破裂的宇航服或手套的最佳方法是用更强的层来加固它。ILC Dover的工程师们研究了一种更好的方法：集成自愈材料，例如嵌入微囊化化学物质的聚合物。当胶囊破裂时，化学物质会发泡并修复破裂的宇航服。
极端绝缘
二氧化硅气凝胶，约含95%的空气，可以隔绝剧烈的温度波动。通过在二氧化硅纳米骨架上涂覆柔性聚合物，阿克伦大学的一个团队制造出了足够耐用和柔韧的气凝胶，适合太空使用。嵌入的氢气还可以阻挡危险水平的辐射。
人工重力
长期暴露在低重力下会导致骨骼流失和肌肉萎缩，宇航员通过每天锻炼2.5小时来对抗这些问题。Draper实验室开发的一种装置可以将健身融入太空服。安装在手臂和腿上的陀螺仪可以提供类似于地球重力的阻力。
粘附力
在马萨诸塞大学创建的一种干性粘合剂， strategically placed on space suits，可以帮助宇航员牢牢抓住表面和工具。它由碳纤维和凯夫拉纤维组成，模仿了壁虎脚的皮肤和肌腱结构，具有前所未有的强度——但可以轻松从表面剥离。
额外的电力
为生命支持系统供电的电池必须反复充电。密歇根理工大学正在开发的氧化锌纳米线可以将运动转化为电能。在膝盖和肘部附近的织物中嵌入这种压电线可以在太空中提供宝贵的冗余。
