植物生长地面微重力模拟是随着航天技术发展而出现的新兴研究领域，很快便成为各大国家相继关注的重要技术之一。微重力环境对植物的形态和发育产生了显著的影响，了解并分析这些变化的原因，对于研究如何在太空中进行植物栽培和生态系统维持至关重要。
上海市安装工程集团有限公司调试检测中心受中科院相关单位委托，通过对回转仪原型机的配置及运行原理进行分析研究，并采用Solidworks、Eplane等计算机辅助设计软件进行仿真设计，自主研制出一套功能更加全面的三维回转仪，通过模拟不特定的随机运动，减少重力对试样的影响。
同时，项目部创新使用全光谱补光照明灯模拟自然光照，以满足特定的植物生长需求，并在设备仓内增设工业摄像机，可实时或定时抓拍植物生长过程图像，该设备可长期不间断进行微重力模拟实验。
量身定制，更加贴合实验需求
微重力，也常被称为失重状态，是指在地球或其他天体附近，由于特定的环境条件或运动状态，使得物体所受到的重力作用变得非常微弱的现象。微重力的重力加速度极小，一般小于地球重力加速度的百万分之一。
为了便于在地球上能够长时间、可重复的研究微重力环境，科研人员普遍采用回转装置来减弱植物所受到的来自特定方向的地球引力，通过不同速率和不同方向连续或间歇性的旋转来干扰植物根系的向重力性，从而达到在微重力环境下的拟态生长效果，以便进一步的科学研究。
现有的回转装置承载的实验器皿数量普遍偏少，大部分装置的核心区域只有一台笔记本电脑的大小，控制稳定性差、光照面积小、光照强度低、实验器皿固定方式简陋、装置运行数据无法存储分析。
为此，调试检测中心在中科院的原型机的基础上，根据实验过程中的实际需求，定制化设计并制造了首台“双轴伺服三维回转仪”。
该装置高1.5米，宽1.8米，长2.1米，相较于原型机，装置的核心区域由单一的平面板创新设计成滚筒式，使微重力环境分布更加均匀;模拟光源由多支小功率LED日光灯管改为为三台最大照度为30000lx的可调节LED全光谱补光灯，并加装了照度传感器，能实时测控环境中的光照强度;试样的固定面板也从一个面板增加到三个面板，且采用了全新的快拆式夹具，这种快拆式夹具如同车载式手机支架一样，可以自由拉伸，既能够固定培养皿，也可以固定培养瓶和培养花盆。
同时，项目部采用在PLC控制平台上研发的随机数算法，以满足随机和无序地控制目标装置旋转运行的要求，并通过伺服电机来控制内外双轴，从而实现任意角度和速度的旋转，使实验对象沿球面上的随机轨迹回转，达到了高精度低误差的实时控制要求。
优中选优，精准模拟昼夜节律
光照是植物生长中不可或缺的关键因素，合理的光照对植物的生长和发育至关重要。项目部对市场上的灯具进行大量比选，筛选出能更精确地模拟太阳光照的补光灯。通过结合实验植物种类，开展针对性的光照对比试验，最终采用这台全光谱补光灯来模拟自然光照。
相较于其他补光灯，这台全光谱补光灯的光谱颜色更为细腻，能精准适配不同实验植物所需的各种波长光线，满足不同生长阶段，多维度的模拟太阳光照，以适配不同实验周期的需求。项目部还在装置上集成了一套智能控制系统，操作人员只需在触摸屏上输入所需照度，便可一键式完成0至30000lx的照度变化。
通过PLC系统的精准控制，可依据设置的光照度传感器实时检测到的当前照度数据，来自动调整光照的稳态输出，以适配各类植物生长所需的不同照度，并模仿昼夜节律，在临近预设的开启或关闭节点时，自动熄灭与开启灯光。
匠心攻关，实现提质增效
为更好地实时监测内部植物的生长情况，项目部还在设备仓内加装了专用的工业相机和小型补光灯，这种工业相机相比于传统的民用相机而言，具备更高的图像稳定性、传输能力和抗干扰能力，能在360度的无序旋转过程中对内部进行实时监测、记录。
在实验过程中，因昼夜补光光照强度的陡变差异，培养皿的表面容易产生结露现象，水汽的蔓延使得相机记录的画面难以满足实验需要。
项目部综合分析可能产生结露现象各类因素，凭借丰富的经验和技术积累，在保证试验室内恒温恒湿的同时，创新性的尝试在每个培养皿和不锈钢夹具的连接处粘贴一块黑色EVA泡棉，利用其隔热和缓冲性能良好的特性，吸收散溢光源和热量。既解决了结露现象，也利用黑色的背景板，让镜头对焦更为清晰。
目前，双轴伺服三维回转仪一期已在中科院相关单位成功应用，整个实验过程可实现一键式托管。
未来，调试检测中心还将对三维回转仪系统的软硬件进一步优化和升级，使该设备不仅可应用于植物的微重力研究领域，还可拓展应用于动物细胞实验和小鼠实验等生物医学研究领域。并将结合展期同类设备的投运情况，不断丰富设备的应用场景、提升系统平台的智能集控能力。
来源：上海安装
