植物生長地面微重力模擬是隨著航天技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新興研究領(lǐng)域，很快便成為各大國家相繼關(guān)注的重要技術(shù)之一。微重力環(huán)境對(duì)植物的形態(tài)和發(fā)育產(chǎn)生了顯著的影響，了解并分析這些變化的原因，對(duì)于研究如何在太空中進(jìn)行植物栽培和生態(tài)系統(tǒng)維持至關(guān)重要。
上海市安裝工程集團(tuán)有限公司調(diào)試檢測(cè)中心受中科院相關(guān)單位委托，通過對(duì)回轉(zhuǎn)儀原型機(jī)的配置及運(yùn)行原理進(jìn)行分析研究，并采用Solidworks、Eplane等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，自主研制出一套功能更加全面的三維回轉(zhuǎn)儀，通過模擬不特定的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，減少重力對(duì)試樣的影響。
同時(shí)，項(xiàng)目部創(chuàng)新使用全光譜補(bǔ)光照明燈模擬自然光照，以滿足特定的植物生長需求，并在設(shè)備倉內(nèi)增設(shè)工業(yè)攝像機(jī)，可實(shí)時(shí)或定時(shí)抓拍植物生長過程圖像，該設(shè)備可長期不間斷進(jìn)行微重力模擬實(shí)驗(yàn)。
量身定制，更加貼合實(shí)驗(yàn)需求
微重力，也常被稱為失重狀態(tài)，是指在地球或其他天體附近，由于特定的環(huán)境條件或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得物體所受到的重力作用變得非常微弱的現(xiàn)象。微重力的重力加速度極小，一般小于地球重力加速度的百萬分之一。
為了便于在地球上能夠長時(shí)間、可重復(fù)的研究微重力環(huán)境，科研人員普遍采用回轉(zhuǎn)裝置來減弱植物所受到的來自特定方向的地球引力，通過不同速率和不同方向連續(xù)或間歇性的旋轉(zhuǎn)來干擾植物根系的向重力性，從而達(dá)到在微重力環(huán)境下的擬態(tài)生長效果，以便進(jìn)一步的科學(xué)研究。
現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)裝置承載的實(shí)驗(yàn)器皿數(shù)量普遍偏少，大部分裝置的核心區(qū)域只有一臺(tái)筆記本電腦的大小，控制穩(wěn)定性差、光照面積小、光照強(qiáng)度低、實(shí)驗(yàn)器皿固定方式簡陋、裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)無法存儲(chǔ)分析。
為此，調(diào)試檢測(cè)中心在中科院的原型機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際需求，定制化設(shè)計(jì)并制造了首臺(tái)“雙軸伺服三維回轉(zhuǎn)儀”。
該裝置高1.5米，寬1.8米，長2.1米，相較于原型機(jī)，裝置的核心區(qū)域由單一的平面板創(chuàng)新設(shè)計(jì)成滾筒式，使微重力環(huán)境分布更加均勻;模擬光源由多支小功率LED日光燈管改為為三臺(tái)最大照度為30000lx的可調(diào)節(jié)LED全光譜補(bǔ)光燈，并加裝了照度傳感器，能實(shí)時(shí)測(cè)控環(huán)境中的光照強(qiáng)度;試樣的固定面板也從一個(gè)面板增加到三個(gè)面板，且采用了全新的快拆式夾具，這種快拆式夾具如同車載式手機(jī)支架一樣，可以自由拉伸，既能夠固定培養(yǎng)皿，也可以固定培養(yǎng)瓶和培養(yǎng)花盆。
同時(shí)，項(xiàng)目部采用在PLC控制平臺(tái)上研發(fā)的隨機(jī)數(shù)算法，以滿足隨機(jī)和無序地控制目標(biāo)裝置旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的要求，并通過伺服電機(jī)來控制內(nèi)外雙軸，從而實(shí)現(xiàn)任意角度和速度的旋轉(zhuǎn)，使實(shí)驗(yàn)對(duì)象沿球面上的隨機(jī)軌跡回轉(zhuǎn)，達(dá)到了高精度低誤差的實(shí)時(shí)控制要求。
優(yōu)中選優(yōu)，精準(zhǔn)模擬晝夜節(jié)律
光照是植物生長中不可或缺的關(guān)鍵因素，合理的光照對(duì)植物的生長和發(fā)育至關(guān)重要。項(xiàng)目部對(duì)市場上的燈具進(jìn)行大量比選，篩選出能更精確地模擬太陽光照的補(bǔ)光燈。通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)植物種類，開展針對(duì)性的光照對(duì)比試驗(yàn)，最終采用這臺(tái)全光譜補(bǔ)光燈來模擬自然光照。
相較于其他補(bǔ)光燈，這臺(tái)全光譜補(bǔ)光燈的光譜顏色更為細(xì)膩，能精準(zhǔn)適配不同實(shí)驗(yàn)植物所需的各種波長光線，滿足不同生長階段，多維度的模擬太陽光照，以適配不同實(shí)驗(yàn)周期的需求。項(xiàng)目部還在裝置上集成了一套智能控制系統(tǒng)，操作人員只需在觸摸屏上輸入所需照度，便可一鍵式完成0至30000lx的照度變化。
通過PLC系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，可依據(jù)設(shè)置的光照度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的當(dāng)前照度數(shù)據(jù)，來自動(dòng)調(diào)整光照的穩(wěn)態(tài)輸出，以適配各類植物生長所需的不同照度，并模仿晝夜節(jié)律，在臨近預(yù)設(shè)的開啟或關(guān)閉節(jié)點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)熄滅與開啟燈光。
匠心攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效
為更好地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部植物的生長情況，項(xiàng)目部還在設(shè)備倉內(nèi)加裝了專用的工業(yè)相機(jī)和小型補(bǔ)光燈，這種工業(yè)相機(jī)相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)而言，具備更高的圖像穩(wěn)定性、傳輸能力和抗干擾能力，能在360度的無序旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄。
在實(shí)驗(yàn)過程中，因晝夜補(bǔ)光光照強(qiáng)度的陡變差異，培養(yǎng)皿的表面容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，水汽的蔓延使得相機(jī)記錄的畫面難以滿足實(shí)驗(yàn)需要。
項(xiàng)目部綜合分析可能產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象各類因素，憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，在保證試驗(yàn)室內(nèi)恒溫恒濕的同時(shí)，創(chuàng)新性的嘗試在每個(gè)培養(yǎng)皿和不銹鋼夾具的連接處粘貼一塊黑色EVA泡棉，利用其隔熱和緩沖性能良好的特性，吸收散溢光源和熱量。既解決了結(jié)露現(xiàn)象，也利用黑色的背景板，讓鏡頭對(duì)焦更為清晰。
目前，雙軸伺服三維回轉(zhuǎn)儀一期已在中科院相關(guān)單位成功應(yīng)用，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可實(shí)現(xiàn)一鍵式托管。
未來，調(diào)試檢測(cè)中心還將對(duì)三維回轉(zhuǎn)儀系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)一步優(yōu)化和升級(jí)，使該設(shè)備不僅可應(yīng)用于植物的微重力研究領(lǐng)域，還可拓展應(yīng)用于動(dòng)物細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和小鼠實(shí)驗(yàn)等生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。并將結(jié)合展期同類設(shè)備的投運(yùn)情況，不斷豐富設(shè)備的應(yīng)用場景、提升系統(tǒng)平臺(tái)的智能集控能力。
來源：上海安裝
