调研与问题

我们首先研究了在太空中种植的植物种类，发现藻类非常适合用于太空种植，藻类可以提供充足的蛋白质和其他人体所需营养物质，并且藻类相比其他植物，不需要土壤就可生长，并且不产生废物，易于种植。

但在空间站中种植藻类也存在很多挑战，主要来自于微重力环境。藻类的水基培养无法在微重力实现，并且藻类的收集和后处理由于微重力环境中会飘散十分复杂。

解决方案

针对以上问题，我们提出了一种新的解决方案，在不能使用水基种植的前提下，我们选择了使用水凝胶种植，水凝胶是一种可以为植物提供水分和营养的固态种植基底，已被证明适合种植藻类，并且水凝胶可以进行3D打印。

进一步，我们选用了海藻酸钠水凝胶，这是一种可食用水凝胶，含有丰富的膳食纤维。由于其可食用的特性，在种植完成后，不需分离和后处理即可将其和海藻混合为可食用物质，并且有水凝胶作为基底使其适合食物3D打印。由此，我们将种植和收集过程大大简化，更适合国际空间站的环境。

整体的系统使用过程可以分为四步：打印海藻酸钠种植结构-安装种植结构进入培养罐-培养架海藻生长-食物3D打印。

设计概览

产品系统主要由三部分组成：3D打印机，培养罐，生长支架。

3D打印机

系统中3D打印机被用于海藻酸钠种植结构打印和最终成品食物打印。

打印机从上到下的架构为打印罐接口-挤出头（X/Y轴）-打印平台（Z轴）-底座和交互屏幕。打印机三轴移动如视频所示。打印机尺寸约为354mm*354mm*548mm，成型尺寸为直径250mm高200mm的圆柱。

交互与细节

打印机下方有交互使用的触摸屏，以及两个实体按键。侧面有把手，方便宇航员在空间站的微重力环境下进行操作。

产品上方是打印料罐接口，罐子固定机构为插入后旋转锁紧，打印机使用抽真空的方式进料。每一个接口有对应的数字标号和状态指示灯。

结构打印

系统操作流程的第一步是打印用于重视海藻的海藻酸钠结构。海藻酸钠溶液和Ca2+溶液结合会快速形成海藻酸钠水凝胶。所以我们设计了海藻酸钠溶液和Ca溶液的料罐，在挤出头中结合后快速被打印固化，这也解决了微重力环境下打印材料附着性不足的问题。

打印平台为可拆卸设计，同时为种植罐的底座。最终形成了如图3所示的种植结构，这样的结构提供了尽量大的表面积，提高种植效率。

结构安装

之后将打印好的结构连同打印座安装在外壳上，形成完整的种植罐。

种植罐设计

种植罐主要有底座和外壳组成。内部装有海藻酸钠水凝胶结构。外壳周围为透明材质，上方有气体交换，用于海藻生长吸收二氧化碳制造氧气，底座下方有固定结构设计，同时中间有一个接口联通内部。

罐子的尺寸约为直径100mm高度300mm的圆柱，内部容积约为1.3L。

种植仓设计

我们还设计了海藻种植仓，将种植罐插入种植仓中，海藻即可生长。种植仓四周有指示灯提示状态，内部中间为紫外线灯管，提供海藻生长所需光照，四周为镜子，以尽量提高光照利用率。海藻在结构上生长如图4所示。

种植架

种植仓为模块化设计，可以阵列堆放为950mm高的单元，中间有一个触摸屏用于交互和检测状态。该尺寸为欧盟的哥伦布实验舱段机柜设计，恰好使用一个机柜的空间。

食物3D打印

将生长好的种植罐安装在打印机上，即可使用水凝胶和海藻混合物进行食物3D打，示例如图所示。食物3D打印可以缓解宇航员食物过于单调的问题，来自nendo的研究显示，不同结构的巧克力可以带来截然不同的口感，3D打印的定制化特性可以为食物带来更多的可能性。