日前，“新天工开物——科技成就发布会”空间科学专场在国家科技传播中心举行，其中“太空生命科学仪器”的发布备受瞩目。
中国科学院院士赵国屏在成就推介时指出:“中国科学院上海技术物理研究所自主研制了不同类型的空间生命科学仪器，成功应用于依托载人空间站、空间实验室、神舟载人飞船、天舟货运飞船和返回式科学实验卫星等开展的生命科学和生物技术研究中。”
太空种菜、养鱼、做细胞实验……随着我国航天科技与科学仪器的发展进步，这些看似科幻的场景，正逐渐照进现实。
从“黑盒子”到“太空实验室”——空间生命科学的中国跨越
空间生命科学，是人类探索生命与宇宙奥秘的前沿阵地。它主要聚焦三大方向:对生命起源的探索研究、对地球生物在太空生存可行性的验证，以及对地外生命的搜寻。然而，太空并非友善的实验室。微重力、强辐射、高真空、极端温差——这些极端环境对地球生命体与实验设备都提出了严峻挑战。
早期，空间生命科学研究大多依赖单一的“黑盒子”式实验装置。这类装置功能有限、适应性差，难以支持系统化的综合科学研究。
面对这一困境，中国科学院上海技术物理研究所率先取得突破，创新性地构建了“任务前地面仿真验证+任务中空间监控调整+任务后地面比对分析”的天地孪生比对验证为范式以“生命支持+原位观测+精细操控”为核心技术链的高功能密度集成一体化的实验平台，实现了在航天器严苛资源约束下开展系统化空间生命科学研究的目标。
2022年7月24日，问天实验舱成功入轨，我国自主研发的“生物技术科学实验系统”与“生命生态科学实验系统”正式部署，填补了国内空间生命科学研究实验系统的空白。标志着中国空间生命科学研究实现了从“简单单项实验”向“复杂系统研究”的跨越。
“我们已经在空间站上构建了基本实验架构，包括生物技术实验系统与生命生态实验系统。”中国科学院上海技术物理研究所二级研究员、博士生导师张涛介绍称:“这两套系统具备持续更新升级能力，可以支持更多生命科学实验。随着生命科学研究发展快速进行技术更新，并具备升级拓展的能力。”
据悉，该系统自发射入轨以来已支持完成了40余项空间生命科学任务，成为“生命科学领域的重要突破”和“国家级空间生命科学实验室的重要组成部分”。
技术集成与系统攻坚——越过太空生命实验的“三重门”
实际上，要打造一套空间生命科学实验系统，并不是简单地将生命科学实验室从地球“搬”上太空。
由于航天器的资源极为有限——空间狭小、功耗严苛、发射环境剧烈振动，每一项都是难以跨越的“拦路虎”。而生命科学实验本身，又对无菌、温控、气体环境等有着近乎苛刻的要求。这就决定了，必须通过复杂的技术集成与系统设计，来构建起适应太空探索实际的实验仪器系统。
张涛表示，太空生命科学仪器系统的三大核心技术链，即“密闭生命支持”、“智能原位观测”、“自动精准操控”，其背后体现了上海技术物理研究所在科研攻坚时跨过的三重“门槛”。
生命支持，是第一道难关。不同生物样本的需求千差万别:植物需要光照与营养液，细胞渴望恒温与无菌，昆虫依赖稳定气氛比例。团队通过跨学科协作，与生物学家反复沟通，为每一种生物“量身定制”生存方案。“我们要熟悉每种生物的习性，它们接触的材料必须无毒无害、环境必须洁净。符合生物学要求的生命支持系统，正是需要克服的一大难题。”张涛在采访中坦言。
原位观测，是第二道门槛。在地面，科学家可以随时取出样本进行观察；在太空，一切必须在密闭容器中自动完成。为此，项目团队开发了多模态显微成像系统，集成了明场、荧光与激光共聚焦等功能模态，并赋予其“自主搜索”的能力。通过智能算法，显微镜能在微米精度下自动搜索并定位悬浮在液体中的细胞，将其图像回传地面，由科学家远程确认观测目标。
精细操控，是第三重挑战。在微重力环境下，气体液体行为与地面差异很大。例如，细胞培养中的换液操作，在地面靠离心与倾倒即可完成，在太空却需完全依赖机械自动化。团队通过流体仿真与结构创新，设计出“缓慢推注扩散”式液体交换系统，以新液缓慢推动旧液，既完成更换，又避免损伤样本。“每一个动作都要靠程序控制，尽量减少误差。”张涛强调。
面对航天器空间与资源的约束，团队提出“通用平台+个性化单元”的设计理念。将显微镜、温控、气体控制等作为共享资源集中设计，而将不同实验的个性化需求设计在外形结构标准化的实验单元中。这种“共性集约、个性分离”的模式，在很大程度上优化了空间实验资源。
目前位于空间站问天舱里的“生物技术实验系统”和“生命生态实验系统”，正是在这一设计理念下完成，并成为国家级太空生物实验室的核心组成部分。赵国屏院士评价其“为发现生命科学新现象、获得生命规律新认知、发展新型生物技术等研究提供了技术途径和解决方案。”
“实干见物”书写中国空间生命科学仪器新答卷
从“黑盒子”到“太空实验室”，从单一实验到系统平台，中国空间生命科学仪器走过了一条从无到有、从弱到强的攀登之路。在问天舱的静谧空间中，水稻抽穗、鱼儿游弋、细胞增殖——这些地球上司空见惯的生命图景，在太空中成为科学的奇迹
自空间站问天舱入轨以来，科研人员持续运用相关系统进行空间生命科学的探索实验，取得了令人瞩目的科学成果:在国际上率先实现水稻“从种子到种子”全生命周期空间培养，为未来太空粮食作物种植提供了重要依据；创建43天密闭“鱼—藻”水生生态系统，打破德国16天的世界纪录，为构建长期太空生态循环奠定了基础；构建国际首个“微重力—亚磁”复合环境实验平台，成功实现果蝇在轨传代繁殖实验。
一项项成果的取得，离不开太空生命科学仪器的坚实支撑。上海技物所团队秉持“实干见物”的务实精神，通过从方法论到装备的全方位技术创新，成功完成了打造太空生命科学仪器系统的艰巨任务。
该团队在生物再生生命保障、长期生态稳定性控制、微重力-亚磁复合环境构建、多模态自主显微成像集成等多个领域进行了系统性的技术创新，实现并推动了空间特殊环境和航天器严苛工程约束条件下，空间生命科学前沿探索和系统研究的发展。
正如张涛所言:“仰望星空，我们的征途是星辰大海，但每一步都必须脚踏实地。”随着我国空间站进入常态化运营，载人登月计划稳步推进，更多的空间生命科学实验将陆续展开，为深空探测、外星拓殖等领域生命科学研究积累技术基础。
未来，无论是在月球基地还是火星营地，这些从太空中孕育的技术与知识，有望成为人类文明延续的重要支撑。而在这条通往星海的道路上，中国科学仪器研究人员正在用“实干见物”的精神，书写着属于自己的“新天工开物”。
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