Forskare vid South Dakota School of Mines &Technology har gått in i sitt tredje år av utveckling av ett bärbart och trådlöst kroppssensorsystem – med möjligheten att drivas på distans – som kommer att revolutionera NASAs rymddräkter.

NASA har satt upp ett högt mål att människor ska resa till Mars till 2030. För att nå detta mål, bättre rymddräkter är viktigt, säger Dr Sayan Roy, biträdande professor i elektroteknik vid South Dakota Mines och en medlem av forskargruppen. "Ett av NASA:s strategiska mål är att skicka astronauter ut i rymden för framtida utforskningsuppdrag. Den farliga och ovänliga rymdmiljön påverkar dramatiskt astronauternas hälsostatus. För att säkerställa astronauternas hälsa och säkerhet, NASA vidtar åtgärder för att minimera de negativa effekterna av rymdresor på människokroppen, " säger han. "Det finns ett behov av innovation inom design av rymddräkter."

Roy säger att forskningen "passar sömlöst med prioriteringarna i NASA:s Human Exploration and Operations Mission Directorate och Space Technology Mission Directorate. Detta projekt är nära relevant för NASAs Technology Roadmap TA 6:Human Health, Livsstöds- och boendesystem."

I rymden, astronauternas hälsa övervakas noga från jorden. Vital som puls, blodets syrenivå, blodtryck, andningsvolym och hudtemperatur spåras, liksom varje astronauts rörelse. För närvarande, hälsoinformation spåras genom trådbundna sensorer inuti rymddräkter. Det trådbundna systemet gör rymddräkter tunga och krångliga. Den nuvarande tekniken är också svår att felsöka i händelse av felfunktion, säger Roy.

Sensorerna som utvecklas vid Mines skulle möjliggöra kostymer som är snyggare och lättare med ett trådlöst nätverk av sensorer som kommer att fånga och överföra hälsodata för astronauter i realtid. Tillverkad av kolfibermaterial, de trådlösa sensorerna kommer att möjliggöra mycket mer flexibilitet i design av rymddräkter.

Detta multidisciplinära och multi-institutionella forskningsprojekt finansieras genom NASA EPSCoR, ett finansieringsprogram som uppmuntrar partnerskap mellan regeringen, högre utbildning och industri. $750, 000-anslag började i januari 2018 och slutar i december i år.

Det trådlösa sensorprojektet involverar också forskare från ytterligare två South Dakota-universitet – University of South Dakota och South Dakota State University, samt samarbetspartners vid fyra NASA-forskningscentra och tre industripartners.

På Mines campus, Roy får sällskap i projektet av Dr. Zhengtao Zhu, en docent i kemi, biologi och hälsovetenskap; Dr Edward Duke från South Dakota Space Grant Consortium och en gruvor professor i geologi och geologisk ingenjörskonst; Dr Hao Fong, professor i kemi, biologi och hälsovetenskap; och forskarassistent Ahsan Aqueeb.

Dr Zhu säger att det har varit en utmaning att utveckla eller hitta rätt material för sensorerna eftersom de måste vara kompatibla med mänsklig hud och kläder. "De måste vara bärbara biomedicinska och töjningssensorer som är lätta, bekväm, flexibel och töjbar, " säger han. Medan några av sensorerna kommer att vara inuti rymddräkten, andra kommer att appliceras direkt på huden.

Medan sensorerna kommer att kommunicera kritisk fysisk hälsoinformation till NASA-experterna på jorden, sensorer kan också ha förmågan att övervaka mental hälsa och till och med "kunna förstå beteenden." Till exempel, en astronauts fysiska beteende kan trigga en sensor att känna igen allt från depression till en skada, vidarebefordra den informationen till NASA-experter.

Sensorerna kommer också att kunna kommunicera med varandra, säger Roy. Eftersom noggrann hälsoövervakning av astronauter är avgörande, systemet måste vara felsäkert. Om en sensor misslyckas, systemet måste utformas på ett sätt så att den felaktiga sensorn kan identifieras av de andra sensorerna och förbigås, säger Aqueeb. "Oavsett vad som händer, det kan inte misslyckas, " sa han. "Vi kan inte förlora någon data."

Sensorerna måste också vara säkra med korrekt kryptering för att förhindra störningar eller hacking, en del av projektet som övervakas vid SDSU.

Kanske mest utmanande, de trådlösa noderna måste laddas utan fördelen av en fysisk anslutning till en strömkälla. Ett trådlöst kraftöverföringssystem är utformat för att överföra ström från ett "elektriskt nätverk till ett annat" utan att dra nytta av en sladd eller någon fysisk anslutning av något slag. Även om trådlösa kraftöverföringar inte är nya, "fjärrfältsöverföringar" såsom från en centraliserad kraftkälla belägen vid en närliggande rymdstation är en nyare och mer betydande utmaning. På samma gång, fjärrfältsöverföringarna måste också ha en högre effektnivå än någonsin tidigare.

"Hur överför vi den trådlösa kraften på avstånd till ledigt utrymme med högre effektivitet?" frågar Roy. Sensorerna måste vara utformade för att "känna av" kraften när den överförs. Kraftöverföringen måste vara säker för människokroppen, eftersom sensorerna är nära kroppen och ibland applicerade på huden. Sådan teknik kommer att behöva vara ofelbart konsekvent, godkänd av sådana myndigheter som FCC och säker för människor. "Vi har många variabler, " säger Roy. "Det här är utmaningarna."

När den väl utvecklats, sådana fjärrfältskraftöverföringar skulle kunna användas i andra områden utanför rymdresor, från precisionsjordbruk till att hålla kontakt med underjordiska gruvarbetare. Men för nu, fokus ligger på nästa generations rymddräkter.