空间通信要求尽可能灵敏接收器以实现最大覆盖，同时需高比特率操作。开发一种基于激光束通信概念，在接收端使用近乎无噪声光学前置放大器。自由空间光传输系统依赖原则上不增加额外噪声的光放大器，区别于所有现有称为相位敏感放大器（PSA）的前置光放大器。 该概念展示接收灵敏度仅每信息比特一个光子，数据率10 Gbps。该方法可延伸远距离空间通信链路覆盖和数据率，可消除深空任务存在的数据返回瓶颈。 大幅增加未来高速链路覆盖和信息率，对星间通信和激光雷达（LiDAR）地球监测有重大影响。此类高速数据连接系统越来越多用光学激光束而非射频束。关键原因：光波长下光束传播功率损耗显著更小，因光束发散减小。 长距离光束

NASA约翰逊航天中心创新者与Oceaneering及佛罗里达人机认知研究所合作，开发分环扭矩传感器（SRTS），利用光学传感器测量旋转系统位置、速度和扭矩。 SRTS为NASA X1机器人外骨骼而创——未来任务中为宇航员提供腿部运动阻力的太空穿戴式锻炼机。X1外骨骼在皮带驱动系列弹性执行器（SEA）实施SRTS，提供比竞争设计更低轮廓、更轻系统。 SRTS用两个光学传感器和单个定制分环（而非同类应用常用标准双环系统）测量旋转系统（如执行器、电机、曲轴、转子等）位置、速度、扭矩。分环由两结构弧以同心、共面关系定位，每弧连接可旋转部件（如小腿和大腿，SRTS作膝关节）。两弧外表面含指示或编码，光

Spinoff 是NASA年度出版物，展示成功商业化NASA技术。此商业化促进健康医疗、消费品、交通、公共安全、计算机技术、环境资源领域产品服务发展。 新款智能眼镜使用NASA发明技术测量用户脑电波，告知其专注程度。技术基于神经反馈——检测脑电波并显示用户自身脑活动读数。通过练习，用户可学会控制它。 1990年代，NASA兰利研究中心从事飞行员训练科学家想出方法将脑电波输出转化为表征注意力水平。飞行员工作越来越多由自动程序完成，研究者担心飞行员因参与度降低难以保持专注。兰利研究员Alan Pope发明投入指数，生成1-6数字指示投入水平。执行任务时被展示投入水平的受试者，能学会控制专注力，表现

团队开发测试可拉伸可穿戴气体传感器用于环境感知。结合新开发激光诱导石墨烯泡沫材料与独特形式二硫化钼和还原氧化石墨烯纳米复合材料。研究人员关注气体敏感纳米复合材料不同形态（形状）如何影响对极低浓度二氧化氮分子检测灵敏度。为改变形态，他们在容器装入极细研磨盐晶体。 二氧化氮是车辆排放有毒气体，低浓度刺激肺部，高浓度导致疾病死亡。研究人员将二硫化钼和还原氧化石墨烯前驱体加入罐中，纳米复合材料在盐晶体微小空隙形成结构。尝试多种不同盐晶尺寸，在常规指状电极和激光诱导石墨烯平台测试灵敏度。水溶解除盐后，研究人员确定最小盐晶体产生最灵敏传感器。 测试达1 ppm及更低浓度，比常规设计好10倍。团队通过控制复

阻抗匹配涂层用于吸收体应用，将中远红外（IR）辐射耦合到悬浮在超薄介质膜上的超灵敏测辐射热计探测器。为提供足够响应度，测辐射热计探测器必须有低热容。此外，为达最优信噪比，入射光谱滤波是可取的。 常规吸收体涂层方法易老化，妨碍仪器瞬态光学效率。此外，常规吸收体涂层高热容影响低本底低温探测器性能。常规吸收体涂层在短波长极限也有反应性，相应降低耦合效率。再者，一些薄膜吸收体涂层极高内应力，可导致介质膜破裂或弯曲。 NASA戈达德航天飞行中心开发的铌钛氮化物（NbTiN）薄膜涂层，可将光光学耦合到悬浮在超薄介质膜上的测辐射热计探测器。涂层也可滤除会增加探测器光子限制噪声的低频谱成分。 NbTiN薄膜涂

光是调节包括人类在内许多物种昼夜节律、季节周期和神经内分泌反应的主要刺激。过去20年，研究测试用光治疗秋冬抑郁（季节性情感障碍SAD）、非季节性抑郁、睡眠障碍、月经功能障碍和进食障碍。此外，研究者探索用光重新调整人类昼夜生理，应对轮班工作或洲际航空旅行挑战。 昼夜节律对光反应取决于刺激强度、波长和给予时间。相位反应曲线（PRC）描述给予光时昼夜相位相对的光诱导节律偏移，各物种光PRC有相似性。 此发明涉及光度计系统，基于发现425-505 nm峰值敏感度，刺激或调节神经内分泌、昼夜节律和光神经系统。利用此峰值波长敏感度用于光系统、半透明透明材料、灯具或其他光源（带或不带滤光片）。 光度测量装置

利用柔性、可拉伸、导电纳米材料MXenes制造，开发出超薄、无电池、可无线传输数据的新型应变传感器。通过控制MXenes表面纹理，研究人员能控制各种软外骨骼应变传感器感测性能。开发的传感器设计原理将显著提升电子皮肤和软体机器人性能。 传感器可像电子皮肤涂覆在机械臂上测量拉伸时的细微运动。放置在机械臂关节处，传感器让系统精确了解机械臂移动量及相对静止状态位置。现货应变传感器无足够精度和灵敏度执行此功能。 精密制造领域可善用应变传感器，机械臂执行制造微芯片等复杂易碎产品任务。传统精密制造自动化机械臂需从不同角度对准外部摄像头辅助跟踪定位和运动。超灵敏应变传感器将通过提供精确运动自动反馈（误差低于一

高轨卫星服务和行星科学任务面临独特挑战：恶劣环境、长任务寿命，加上需要远距离、高速、精确测量。常规系统因将其他方案推向市场成本高、可靠性存疑而受困。 NASA戈达德航天飞行中心开发Kodiak 3D激光雷达系统，包含微机电系统（MEMS）光束转向、高性能可重构计算、深度系统级集成理解。Kodiak结合3D MEMS扫描激光雷达与远距离、窄视场（FOV）望远镜，产出灵活强大空间飞行测距系统。还包含SpaceCube级处理能力托管多种算法，实现感知和六自由度。 Kodiak激光雷达具备低尺寸、重量、功耗（SWaP）需求，能在几乎任何光照条件下从远距离生成3D成像。除空间探测测距，应用包括接近激光测

NASA戈达德航天飞行中心开发可打印纳米传感器及引线，在硅子板上用3D打印技术制造，可连接自包含前置放大器印制电路板（PCB）。传感器含石墨烯传感器阵列（印刷CNT或MoS₂也可工作）和带前置放大电路PCB，通过机械夹和键合线连接子板。传感器尺寸通常微米至数百微米。此创新提高气体传感器灵敏度，实现ppb级浓度检测（甚至可能单分子）。 传感器使用基于二维材料的场效应晶体管，感测暴露于分析物的石墨烯通道表面电位。当分析物分子吸附在传感器表面，它们作为电子给体或受体，在石墨烯中诱导局部电阻变化。此效应在二维材料中尤为显著，因高表面积、高电导率（石墨烯情况）和固有低噪声，使检测电阻变化成为可能。 不同

一种低成本传感器技术，称化学识别磁弹传感（ChIMES），使用目标响应材料（TRM）作为磁弹（M-E）传感器执行器（图1）。 TRM可来自多类化学和生物化学化合物，具有多种选择性程度。对特定目标有强亲和力的TRM可单独使用，而分布式选择性TRM可组成阵列，配合人工神经网络或其他基于人工智能工具进行分析解读。磁弹组件为非晶铁磁合金，具高磁导率和极低矫顽力。当TRM遇到目标，会施加力改变合金磁性，这种变化可用激励-检测线圈组检测。 ChIMES包含铁磁金属和耦合其上的分子识别试剂。分子识别试剂暴露于目标材料蒸汽或液体时可膨胀，从而改变对铁磁金属的拉应力。基于铁磁金属磁性开关特性因拉应力变化而改变，

手机几乎无所不能。借助这些设备，甚至可能确定啤酒酒精含量或水果成熟度。当今用于化学分析的红外光谱仪通常重达数公斤，难以集成进手持设备。 开发出约2平方厘米大小芯片，可像传统光谱仪一样分析红外光。传统光谱仪将入射光分成两路，分别反射于两面镜子。反射光束重组后用光电探测器测量。移动一面镜子产生干涉图样，可用于确定入射信号中不同波长比例。因化学物质在红外光谱产生特征吸收峰，科学家可用结果图样识别测试样品中物质种类和浓度。 新型微型光谱仪基于同一原理；但新设备中，入射光不再借助可动镜子分析。而是利用特殊波导，其光学折射率可通过外部电场调节。改变折射率产生效果类似移动镜子，以相同方式分散入射光谱。 视波

未来出行是电动汽车、卡车和飞机。但单一电池设计无法支撑该未来。甚至手机和笔记本电池也有不同要求和设计。未来几十年所需电池必须针对特定用途定制。这意味着要尽可能精确理解每种电池内部究竟发生什么。 每个电池工作原理相同：离子——带电原子或分子——通过电解质材料从阳极携带电流到阴极，再返回。但离子在该材料中精确移动方式（无论液态或固态）困扰科学家数十年。精确了解不同离子如何通过不同电解质移动，将帮助研究人员弄清如何影响该移动，创造最适合特定用途充放电方式的电池。 科学家团队展示技术组合，允许精确测量电池中离子移动。不同实验方法组合测量速度和浓度，再与理论对比。方法包括用超亮X射线测量电池中离子移动速

接触水蒸气是混合动力和电动汽车（EV）用锂离子（Li-ion）电池的“死刑判决”。若湿气进入电池单体与电解液反应，会生成酸。酸可引发放热反应，导致热失控——内部起火。 灾难性单体损坏是最坏情况，但任何允许酸侵入的单体泄漏都成问题。“若电池包内酸泄漏普遍，既是保修问题也是客户不满，”Inficon汽车市场销售经理Thomas Parker说，该公司制造气体分析仪器。 如今使用示踪气体及相关设备进行电池包泄漏检测很常见，但在单体级别发现泄漏截然不同。目前电动汽车用三种主要电池单体——圆柱形、棱柱形和软包——软包因重量轻日益普及。真空加压软包单体通常由工人目视检查，判断存储和运输过程中是否鼓包外凸。

目前为可穿戴和可拉伸健康监测及诊断设备供电的电池和超级电容器存在诸多短板，包括能量密度低和拉伸性有限。 微超级电容器是电池替代方案，可补充或替代可穿戴设备中的锂离子电池。微超级电容器占地面积小、功率密度高、充放电快；但为可穿戴设备制造时，传统微超级电容器采用“三明治式”堆叠几何结构，表现出柔韧性差、离子扩散距离长、与可穿戴电子集成工艺复杂等问题。 研究人员开发替代器件架构和集成工艺，推进微超级电容器在可穿戴设备应用。他们发现将微超级电容器单元按蛇形、岛桥布局排列，允许构型在桥处拉伸弯曲，同时减少微超级电容器——即岛部——变形。组合后结构称为微超级电容器阵列。采用岛桥设计连接单元，微超级电容器阵

南加州大学（USC）Iraj Ershaghi教授及其研究团队发现利用闲置油气井进行能源储存的方法——解决太阳能和风能发电的主要难题之一：储能。 Tech Briefs： 这个想法源自何处？ Ershaghi教授： 该国面临的主要问题是如何处理大量寿命终结、必须永久封堵的油气井。井封堵是所有油公司面临的重大问题。我说的是大公司——小公司有时无力承担封堵成本可能直接破产撤离，责任落到州政府，封堵成本巨大。 加州目前有37,000多口闲置井，全美超过一百万。我一直关注井封堵问题，思考工程界如何降低封堵成本、更有效实施。 一问题在于不当封堵井可能成为气体泄漏源。不仅因温室气体排放有害，若在废弃井上

任何制造设施最重要的方面之一是安全——无论是保护机器还是数据。《Tech Briefs》向提供网络和设施安全解决方案的公司高管提问，获取他们对网络安全、云、无线设备和保护远程员工等问题的看法。 参与者包括：西门子数字工业数字连接与电力总经理Mike Jabbour；RedSeal首席技术官Mike Lloyd；TechSolve首席技术官兼首席工程师Radu Pavel；霍尼韦尔互联企业网络安全高级战略师Donovan Tindill。 Tech Briefs： 因新冠疫情更多人远程工作，远程操作设备、诊断和维护应建立哪些安全程序和系统？ Mike Lloyd： 在匆忙转向居家办公时，大多数安

物联网（IoT）——广义上讲，第四次工业革命（工业4.0）——是当今制造业无处不在的新范式，深刻影响着制造商的运营方式或规划运营方式。提升整体设备效率（OEE）是物联网的关键新要求，而优化OEE需要整个组织范围内准确、及时的数据，包括来自质量实验室和制造现场直接收集的测量与检测数据。 提高测量和检测数据收集的速度、量级和准确性至关重要，因为这能提供改善效率和持续制造优质零件所必需的强大洞察。在为质量控制目的获取精密测量数据方面，无线和移动检索技术是通往这些优势的最清晰路径。 无线数据收集系统应具备移动性、强加密和安全性，并适应从无距离限制、量具兼容性到易用性以及集成到自动化制造操作等多种需求。

现代生活严重依赖移动电池供电设备，影响日常方方面面，从电信设备到运输工具。对高效高性价比电池需求日增。传统电池饱受诸多担忧困扰，在全球变暖和废物累积意识增强时代，生产必须符合可持续发展原则和工艺。 纳米钻石电池（NDB）是高功率、钻石基α、β、中子伏特电池，可为众多应用提供终身绿色能源，克服现有化学电池局限。NDB如微型核发电机。NDB能源来源是中高放射性同位素，经多层合成钻石屏蔽保安全。能量通过非弹性散射过程在钻石中吸收发电。自充电过程将为任何设备机器全寿命提供电量，电池寿命长达28,000年。 因电池自充电仅需暴露自然空气，多余电量可存储在电容器、超级电容器和二次电池延长手机、飞机、火箭、

新加坡国立大学（NUS）研究团队在提升工业机械臂安全精度迈出关键一步，开发新系列纳米材料应变传感器，测量微小运动灵敏度比现有技术高10倍。 用柔性、可拉伸、导电纳米材料MXenes制造，这些新型应变传感器超薄、无电池、可无线传输数据。凭这些理想特性，新型应变传感器潜在可用于广泛应用。 陈博言助理教授解释：“传统应变传感器性能一直受感应材料本质限制，用户定制传感器特定应用选项有限。此工作开发简易策略控制MXenes表面纹理，使能控制各种软外骨骼应变传感器感应性能。此工作开发传感器设计原理将显著提升电子皮肤和软机器人性能。” 新型应变传感器可大显身手领域之一是精密制造，机械臂执行复杂任务如制造微

黑客可通过发现芯片电路关键晶体管作用复制电路——但若晶体管“类型”不可检测则不行。普渡大学工程师演示用称黑磷片状材料构建晶体管伪装其类型。 芯片逆向工程常见做法——黑客和调查知识产权侵犯公司均如此。研究人员也开发X射线成像技术无需接触芯片逆向工程。 普渡研究人员演示方法在更基础层面提升安全性。芯片制造商如何使此晶体管设计兼容其工艺将决定此安全级别可用性。 芯片用电路中数百万晶体管计算。施加电压时，两种截然不同晶体管——N型和P型——执行计算。复制芯片始于识别这些晶体管。 “但因它们截然不同，正确工具能清晰识别——允许你反向推导，弄清每个电路组件作用再复制芯片，”Joerg Appenzell