警報響起時，他已經重新站了起來，希望偵測車沒有拍攝，但他心裡清楚它肯定在拍攝——他臉朝下摔在火衛一表面的畫面已經被記錄下來，流傳後世。頭盔面罩上的光纖顯示器發出不祥的閃爍：太空衣破損。他的身體，或者說他身體的一小部分，已經暴露在火星衛星上原始的、沒有空氣的真空環境中。
太空人的死因有很多種，但減壓病是最慘烈的死法之一。太空衣一旦被刺破，就意味著必須爭分奪秒地尋找避難所，否則包裹身體的純氧層就會迅速流失，缺氧會導致昏厥。雖然壓力驟降不會引發爆炸，但過程極為痛苦：體內的水分開始蒸發並試圖逸出，肺部塌陷，血液循環停止。
不過，今天沒人會死，至少在火衛一上不會。他穿的太空衣可不是加壓氣球，恰恰相反——它是一種緊身服，由智慧記憶合金構成的網格結構與身體緊密貼合，用直接的機械反壓取代了氧氣墊。這種太空衣貼合身形，行動靈活；移動所需的能量更少，也增加了太空人的步行範圍。即使發生破裂，太空衣依然有效：可以用太空探險家專用的類似彈性繃帶的東西當場修補，其自身的形狀記憶合金會收緊以密封破損處。
當貼片貼好後，警報就停止了。表皮生物感測器和路徑規劃演算法將太空人在地表上的行進距離從六英里縮短到了四英里多一點。等他的心率穩定下來，他會打電話給地面控制中心，反對這條捷徑。這點小傷不會要了他的命。他可不是從家鄉跋涉一億英里而來，現在卻要折返的。
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為了讓人類進一步探索太陽系——無論是小行星、火星衛星，甚至是火星本身——他們都需要一種新型太空衣：一種能讓他們穿越深空、輕鬆穿梭於外星表面，並能抵禦各種潛在致命危險的太空衣。 「如果一套加壓太空衣上出現一個小洞，那就是重大緊急情況。任務結束；必須盡快返回安全基地。」麻省理工學院技術與政策項目主任、航空航天生物醫學工程師達瓦·紐曼說。
即使是當今最先進的太空衣也僅限於近地軌道——而且其中一種太空衣的設計初衷並非用於離開太空船。 1986年挑戰者號太空梭災難後，NASA開始使用先進乘員逃生服（ACES）來保護太空梭太空人在發射和重返大氣層期間的安全。但它幾乎無法勝任。由於太空梭的控制系統並非為穿著太空衣操作而設計，飛行員經常不戴笨重的手套飛行，這使他們極易受到快速壓力洩漏的影響。太空衣的維生系統也是暫時拼湊的，軟管用膠帶固定在艙內各處。如今太空梭計畫已經結束，太空人穿著的是俄羅斯於1973年推出的ACES的同類產品。
NASA的另一套太空衣——艙外活動裝置（EMU）——與其說是一件衣服，不如說是一艘價值數百萬美元、內部裝有液冷管道系統的太空船。這套太空服用於太空行走，於1983年首次進入太空；其大部分佈料在冷戰時期都屬於尖端技術。儘管太空衣的製造商ILC Dover公司一直在試驗自修復聚合物，NASA也一直在推動開發氣凝膠等先進材料，以實現超薄隔熱，但這些技術尚未應用於EMU。
下一代太空飛行不應再使用過時的裝備，尤其是在世界各地實驗室湧現出如此豐富的材料和設計方案的情況下。隨著軌道和亞軌道發射即將被私人企業接管，以及人類登陸火星的計劃初露端倪，將會有更多的人進入太空，其中一些將進行遠距離飛行。他們理應擁有不僅能保障安全，更能滿足他們雄心壯志的太空衣。
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發射服
首批新型太空衣將是ACES太空衣的精簡版，但它們並非為目光如炬的飛彈操作員設計，而是為支付數十萬美元進入太空的新一代飛行員和乘客打造。這些被稱為艙內活動服或發射返回服的宇航服，堪稱航天領域的“氧氣面罩”，其真正的功能——包括艙內加壓和一定程度的生命維持——會在緊急情況下啟動。
SpaceX在與太空衣製造商簽訂的初始合約中明確規定，太空衣必須看起來「酷炫十足」。由於設計師們首次與NASA以外的客戶合作，他們必須面對新的挑戰。 SpaceX在與太空衣製造商Orbital Outfitters簽訂的初始合約中明確規定，太空衣必須看起來「酷炫十足」。 Orbital Outfitters的首席設計師克里斯‧吉爾曼表示：「你在政府合約中可看不到這種措辭。我喜歡這種風格。」然而，設計出酷炫的太空衣並非易事。發射返回艙宇航服笨重不堪，它是一件超大的連身服，內部嵌有用於頭盔和手套的硬質接口，而且在加壓時，其內部空間足以像籃球一樣膨脹——尤其是在座椅部分，這樣宇航員就不必站立。吉爾曼計劃透過戰術縫線來解決這種「寬鬆的臀部」問題。 Final Frontier Design 的聯合創始人 Ted Southern 透過 Kickstarter 眾籌平台為其 3G Suit 籌集了初始資金。他希望像時裝設計師一直以來那樣，利用版型來改善服裝的合身度。 「我真心認為這是關鍵，」他說。 “越是擬人化，看起來就越酷。”
這就是太空衣設計的新趨勢：滿足商業客戶的需求，無論是將生存能力壓縮到更輕的體積，還是在結構和材料選擇方面進行創新，以節省成本。 3G太空衣——首件預計最早於明年1月交付給西班牙航空航太新創公司zero2infinity——取消了一些金屬零件。 Final Frontier公司正在考慮用高性能塑膠取代其他零件。 Orbital Outfitters公司為XCOR Aerospace公司提供的IS3太空服，用於其亞軌道雙座飛行器Lynx ，該公司正在探索一次性零件。例如，用於密封太空衣的氣囊層等零件可以在每次發射前更換。
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探險套裝
為了超越近地軌道，太空人需要的不僅僅是一套新的發射返回艙宇航服，他們還需要一套用於太空探索的多功能太空服。美國太空總署（NASA）近期發布了Z-1太空衣，這是其一系列測試平台設計中的首款。 Z-1太空衣的關節處裝有軸承，使其比目前的艙外活動（EVA）太空衣－艙外活動單元（EMU）－更靈活。它還配備了一個後部返回艙口，可以將太空衣變成一個獨立的氣閘，使其能夠對接在居住艙側面，從而避免在粗糙的月壤或腐蝕性的火星土壤中留下痕跡。接下來，NASA將著手研發Z-2太空衣，並將這兩款太空衣的優點融合到Z-3太空衣中。如果一切按計畫進行，Z-3太空衣將於2017年從國際太空站進行首次太空行走。
但無論Z-3型太空衣將哪些功能帶入軌道，它都不太可能採用當今最先進的材料，也無法解決艙外活動服最大的缺陷：它們就像人形飛艇，裡面充滿氧氣以維持生存所需的壓力。太空人在活動時，75%的能量都消耗在與自身服裝對抗上，費力地控制著如同氣球般巨大的四肢進行屈伸運動，只有25%的能量真正用於探索任務。
麻省理工學院的紐曼希望扭轉這種局面。自1999年以來，她一直在研發BioSuit，這是一種用機械反壓（MCP）系統取代充氣式加壓系統的太空服。 MCP系統並非注入保護性空氣緩衝層，而是施加均勻的全身擠壓，透過機械力來模擬足夠的大氣壓力。這種太空服行動起來更加輕鬆，僅需太空人25%的能量。此外，它也更耐用，因為即使發生破損，機械反壓也能迅速恢復。
太空人需要一套能夠應付高速小行星坑洞表面和火星沙塵暴的太空衣。為了實現MCP技術，紐曼需要一種新型材料──一種能夠緊密貼合人體複雜曲線，同時又能適應運動的材料。 「過去幾年，我們考察了14種候選技術，」她說，「現在，我們已經篩選出了三種。」其中一種是介電彈性體，它可以透過電流膨脹或收縮，起到低功耗致動器的作用。另一種是形狀記憶合金，這是涵蓋多種材料特性的統稱。
紐曼的團隊致力於研發能夠恢復原狀並保持原有性能的柔性金屬編織材料。他們專注於多種合金的編織，其中包括鎳鈦合金Nitinol，這種合金能夠根據溫度變化發生形變和重塑。
紐曼說：「我認為我們已經證明了這項技術在技術上的可行性。」她估計，即使每年投入數百萬美元，她也能在三到五年內將這項技術規模化，生產出真正的太空衣。
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夢幻套裝
載人深空任務面臨的挑戰艱鉅無比：需要一種能夠經濟高效地往返火星的推進系統，以及一艘能夠在長達一年的飛行中保護太空人免受致命銀河宇宙射線侵害的太空船。這不會在明年，甚至可能要等到下一個十年，但當遠距離太空探索的日子到來時，宇航員需要一套能夠應對各種環境的宇航服，從高速飛行的小行星坑坑洼窪的表面到火星上的沙塵暴。為了製造這樣的太空衣，設計者需要一系列新型材料，每種材料都賦予太空衣新的功能。
太空衣遍布導電奈米線和電活性聚合物，可以從太空人的運動中收集能量，將加壓頭盔的面罩變成半透明的光纖抬頭顯示器。疊加在面罩上的本地地圖和預設路線可以透過語音指令切換顯示。其他數據可能來自表皮生物感測器，這些數據經過演算法過濾後，會建議太空人放慢速度以優化能量和空氣供應。即使是對短期內實現全身移動控制平台（MCP）持懷疑態度的工程師，也設想了一些有限的應用，例如無氣手套。
根據目的地不同，設計師可以更換其他組件。例如，前往小行星的太空衣可能配備類似壁虎皮膚的乾性黏附鞋底，使其幾乎可以在任何條件下附著在物體表面，包括在快速旋轉的天體上接近零重力的環境中。德雷珀實驗室正在研發的穩定器可以安裝在太空衣的手臂和腿部：這些微型陀螺儀帶有微小的旋轉圓盤，可以提供阻力，模擬地球重力，並有可能減少零重力環境下的迷失方向感。
火星面臨獨特的挑戰，例如氣溫會在華氏70度到零下225度之間劇烈波動。 「火星上有四季，」參與Z-1項目的NASA宇航服工程師艾米·羅斯說道，「你可能真的需要輕薄的春季外套和厚重的冬季大衣。」羅斯設想提供可拆卸的、不同重量的全身防護服，而紐曼則力主使用真正的外套——一種由氣凝膠層構成的服裝，厚度僅幾毫米，並抵禦了足夠的隔熱材料填充到最極端的低能量，足以構成火星上的最極端的氣體，並抵禦了足夠的隔熱材料。 ILC Dover公司開發的一種受荷葉啟發的塗層——它模仿了荷葉光滑且具有自清潔特性——可以減少帶入車輛和設施的灰塵量。
Final Frontier公司正在研發奈米結構或粉末狀化合物，用於製造輕巧靈活的輻射防護罩——這是未來太空衣面臨的最大挑戰之一。目前，艙外活動服不具備輻射防護功能，迫使NASA只能限制太空人生涯的太空行走次數。
正如Orbital Outfitters公司的吉爾曼所指出的那樣，「太空衣充滿了不易察覺的細微之處。」每一盎司的重量，以及材料之間每一種潛在的相互作用，都會使這個原本就錯綜複雜的系統更加複雜。然而，這或許正是太空衣的未來——它並非阿波羅時代裝備的簡單升級，而是多個研究領域所能提供的最佳成果。太空人能否真正探索太陽系，將取決於工程師所掌握的材料。有些材料或許永遠無法在太空中使用。但那些能夠使用的材料，或許就能決定太空人的太空之旅是僅僅邁出幾步象徵性的步伐，還是真正值得花費一億英里飛行時間的太空探索之旅。
埃里克·索夫格 (Erik Sofge) 來自馬薩諸塞州，撰寫有關科學、技術和文化的文章。
下一頁將詳細介紹未來的太空衣。
未來套裝
為了讓太空人能夠探索深空，太空衣必須更加輕便、聰明且機動性更強。許多能夠實現這些目標的材料目前都在實驗室中研發。
—Elbert Chu
訂製款
未來的太空衣可能不再採用氣體加壓，而是使用形狀記憶合金，例如波士頓米德科技公司（Midé Technology）生產的鎳鈦諾絲編織物，來施加穩定的機械反壓力。這種合金經過熱處理，既能使太空衣在太空人穿上後緊貼身形，又能適應太空人的運動。
增強視覺
如今太空人透過塑膠鏡片觀察世界；未來的頭盔面罩或許會採用一種名為ALON的透明陶瓷材料，它比防彈玻璃更薄，強度卻是防彈玻璃的三倍。由Lumus Optical公司研發的抬頭顯示器（目前F-16戰鬥機飛行員使用）可望應用於太空頭盔，成為全彩顯示器，利用光學棱鏡將光線引導至太空人的眼睛。
泡棉緩衝器
身體凹陷部位可能需要另一種形狀記憶材料來調節太空衣的反壓力。雪城生物材料研究所已經開發出這項技術的基礎：碳奈米纖維在通電後會產生熱量，使泡沫膨脹成預設形狀。
冷卻系統
目前的防護服透過300英尺長的管道循環水來帶走人體熱量。普渡大學
大學工程師們創造了一種既能絕緣管道又能發電的技術：玻璃纖維（未來可能是聚合物）塗有熱電奈米晶體，可以吸收熱量並釋放電能。
保護殼
機械反作用力造成的任何不當擠壓都可能傷害重要器官。一個堅固的、完全加壓的外殼可以在提供保護的同時，又不限制太空人的活動。為了最大限度地減少體積，並確保硬質材料和軟質材料接觸點的舒適性，每個外殼都將採用3D列印技術，根據使用者的體型量身定制。
自癒手套
目前，防止防護服或手套破損的最佳方法是用更厚的層來加固。 ILC Dover 的工程師研究了一種更好的方法：整合自修復材料，例如嵌入微膠囊化學物質的聚合物。當微膠囊破裂時，化學物質會發泡並修復破損的防護衣。
極致隔熱
由約95%空氣組成的二氧化矽氣凝膠可以隔絕劇烈的溫度波動。阿克倫大學的研究團隊在二氧化矽奈米骨架上塗覆一層柔性聚合物，製造出了既耐用又足夠柔韌，適用於太空環境的氣凝膠。此外，嵌入其中的氫氣還可以阻擋危險劑量的輻射。
人造重力
長時間暴露在低重力環境下會導致骨質流失和肌肉萎縮，太空人每天運動2.5小時來預防這些問題。德雷珀實驗室研發的設備可以將健身功能融入太空衣中。安裝在手臂和腿部的陀螺儀可以提供類似地球重力的阻力。
黏合強度
麻州大學研發出一種乾式黏合劑，巧妙地塗抹在太空衣上，可以幫助太空人牢牢抓住物體表面和工具。這種黏合劑由碳纖維和凱夫拉縴維編織而成，模仿壁虎腳部的皮膚和肌腱結構，使其擁有前所未有的強度——同時又能輕鬆地從物體表面剝離。
額外動力
為維生系統供電的電池需要重複充電。密西根理工大學正在研發的氧化鋅奈米線可以將運動轉化為電能。將這種壓電線嵌入膝蓋和手肘處的織物中，可以為太空飛行提供寶貴的冗餘保障。
