“足”也到太空湊熱鬧

□ 云英

航天員在進(jìn)行“Foot 實(shí)驗(yàn)”

在太空進(jìn)行的航天醫(yī)學(xué)研究中，一向唱主角的是人體的心臟、腦、血管、前庭器官、骨骼、肌肉、內(nèi)分泌等器官。但是，這次“足”也露面了，它也來湊熱鬧，最近在國際空間站的醫(yī)學(xué)研究計(jì)劃中頭一次露臉，過了一把“當(dāng)主角”的癮。

2002-2006年，在國際空間站第6、8、11、12宇航組執(zhí)行任務(wù)期間，航天員們完成了美國航宇局的一項(xiàng)名為“太空中足/地反作用力” 的實(shí)驗(yàn)（簡稱Foot實(shí)驗(yàn)）。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不僅是航天醫(yī)學(xué)家們十分感興趣的一個(gè)研究課題，也是美國航宇局對(duì)學(xué)生進(jìn)行航天知識(shí)教育的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。參加此實(shí)驗(yàn)的有12年級(jí)的中學(xué)生、大學(xué)生和研究生，他們參與了數(shù)據(jù)運(yùn)算法則的研發(fā)和一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)工作，也參與了地面的硬件試驗(yàn)和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及后期的結(jié)果分析和總結(jié)。下面就讓我們來了解一下“足”能夠在太空實(shí)驗(yàn)這個(gè)大舞臺(tái)中占一席之地的理由和它是如何完成這項(xiàng)重要任務(wù)的。

“足”登上太空實(shí)驗(yàn)舞臺(tái)的原因

航天員在地球軌道飛行時(shí)，都是生活在特別為他們設(shè)計(jì)的座艙里，即便到艙外，也是在艙外航天服的保護(hù)下，太空的真空、輻射、高低溫等致命惡劣環(huán)境危害不到他們。但是，他們卻逃脫不了太空微重力環(huán)境的“威脅”，微重力已成為“危害”航天員健康的主要兇手。50多年的航天飛行實(shí)踐和研究證明，微重力是航天員健康的“殺手”，會(huì)影響到航天員的各個(gè)器官。當(dāng)然，肌肉-骨骼系統(tǒng)也無法逃脫。對(duì)于肌肉-骨骼系統(tǒng)來說，由于失重, 人在太空中維持姿勢和進(jìn)行運(yùn)動(dòng)不再需要對(duì)抗重力的作用，可以“飄飄然”地從一個(gè)地方“飛”到另一個(gè)地方，也可以不費(fèi)吹灰之力就將一個(gè)人或重物舉起，這使得肌肉-骨骼系統(tǒng)處于一種“廢用”狀態(tài)。時(shí)間一長，就出現(xiàn)肌肉萎縮和骨質(zhì)疏松，飛行時(shí)間越長，這種變化越大。

航天引起的肌肉-骨骼改變，十分類似人進(jìn)入老年時(shí)的改變。航天員返回地球后，會(huì)像老年人一樣手腳不靈活，運(yùn)動(dòng)能力下降，跑不動(dòng)，走不快。這對(duì)于執(zhí)行短期飛行任務(wù)的航天員來說影響還不十分大，最多返回地球后適應(yīng)一段時(shí)間就能恢復(fù)到飛行前的狀態(tài)。但是，對(duì)執(zhí)行長期飛行任務(wù)的航天員來說，不僅影響到航天任務(wù)的執(zhí)行（例如，出艙活動(dòng)和需要消耗體力的任務(wù)），在返回地球后，也需要很長時(shí)間恢復(fù)，甚至幾年還不能恢復(fù)。進(jìn)入21世紀(jì)后，人類要到月球建立長期棲息地、到火星探險(xiǎn)，微重力引起的肌肉-骨骼變化和功能下降的問題就變得突出了。

為此，航天醫(yī)學(xué)家們一直以來都十分重視微重力對(duì)肌肉-骨骼系統(tǒng)影響的研究，在地面和太空中進(jìn)行不少研究，制定了許多防護(hù)措施，不惜工本地研制了很多小巧玲瓏的運(yùn)動(dòng)器材，送到太空供航天員使用。航天員也在太空花費(fèi)了不少寶貴的時(shí)間來實(shí)施這些措施，例如，長期飛行的航天員每天要花費(fèi)2個(gè)小時(shí)左右來運(yùn)動(dòng)，結(jié)果成效不大，他們在返回地球后仍出現(xiàn)肌肉萎縮和骨質(zhì)喪失。這說明目前采用的防護(hù)措施還不足以對(duì)抗微重力對(duì)肌肉-骨骼系統(tǒng)的影響，航天中的防護(hù)措施有待改進(jìn)。

為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象呢？在地面運(yùn)動(dòng)可以明顯地提高人體的肌肉-骨骼系統(tǒng)功能，防止肌肉萎縮和骨質(zhì)疏松，為什么在太空同樣負(fù)荷量的運(yùn)動(dòng)就“失靈”了呢？一些航天醫(yī)學(xué)研究者們認(rèn)為可能是由于航天員在太空日常生活中（其中包括每日的運(yùn)動(dòng)和工作），作用在下肢骨骼和肌肉的力小于在地球上，使得航天員在太空日常生活和運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在下肢的負(fù)荷量低于在地球上的負(fù)荷量，故引起肌肉-骨骼系統(tǒng)的“廢用性”改變?？墒?，到目前為止，到底航天員在太空時(shí)足部受力有多大，還是個(gè)未知數(shù)。要制定有效的太空防護(hù)措施，必須首先知道太空中航天員在日常生活中足部受力的大小。這樣，“足”就被請(qǐng)出來，在國際空間站的“Foot 實(shí)驗(yàn)”中扮演了主角?！癋oot實(shí)驗(yàn)”不僅是研發(fā)今后微重力防護(hù)措施的重要基礎(chǔ)，對(duì)認(rèn)識(shí)、預(yù)防和治療地球上的骨質(zhì)疏松癥和肌肉萎縮也有重要意義。

實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

與地面試驗(yàn)不同，“Foot 實(shí)驗(yàn)”是一項(xiàng)在太空中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，地面實(shí)驗(yàn)即使失敗了，還可以進(jìn)行第二次、第三次……，最多多花些經(jīng)費(fèi)，研究人員多付出些時(shí)間。太空實(shí)驗(yàn)可是“一錘子買賣”，如果失敗了，可能永遠(yuǎn)沒有機(jī)會(huì)再進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)了。所以，研究人員十分珍惜這次寶貴的機(jī)會(huì)，他們經(jīng)過大量的調(diào)研，周密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定不僅要比較航天員飛行前和飛行中指定實(shí)驗(yàn)日里“足部”的受力大小，還要測量膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍、下肢肌肉容積、肌肉力量和骨密度的變化，這樣才能很好地了解航天中下肢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和足部受力大小，比較出天地差別，為今后防護(hù)措施的制定提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

設(shè)想的未來火星棲息地

航天員使用特殊阻力裝置進(jìn)行訓(xùn)練

解決測試方法 要達(dá)到上述目的，首先需要解決的問題是如何來測量這些指標(biāo)。有三個(gè)指標(biāo)（下肢肌肉容積、肌肉力量和骨密度）只需要在飛行前后測量，目的是看看太空飛行引起肌肉-骨骼系統(tǒng)發(fā)生哪些變化。這很容易達(dá)到，醫(yī)院中有很多儀器和方法可以使用，在Foot實(shí)驗(yàn)中用的是雙能X線骨密度儀測量骨密度，磁共振成像儀測量下肢容積， Cybex等速肌力測試儀測肌力 。地面和太空實(shí)驗(yàn)中除了肌電圖指標(biāo)的記錄容易解決外，還需要解決以下三個(gè)指標(biāo)的測試問題：1）足部受力大??；2）下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍；3）適用于太空實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。研究者們?yōu)榇藙?dòng)了不少腦筋，想了很多方法，下面就將研究者們的“奇思妙想”一一道來。

為了記錄不同情況下足部所受的力，研究者們設(shè)計(jì)了一雙特制的鞋，鞋墊上有測力傳感器。測力時(shí)，通過氮源對(duì)氯丁橡膠囊狀物充氣，使鞋墊表面與腳底保持密切接觸，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。航天員穿上這種特殊的鞋，只要腳一著地，鞋墊里的傳感器就可以將足部接觸地面的反作用力測下來。航天員一天活動(dòng)中足部所受到的反作用力相加，就是航天員一天活動(dòng)中足部的總反作用力。這個(gè)總反作用力還不是下肢受到的機(jī)械負(fù)荷刺激量。為了確定連續(xù)的日?；顒?dòng)（坐、站立、行走、跑步和其他活動(dòng)）對(duì)下肢的機(jī)械負(fù)荷刺激量，研究者們采用了雨流峰計(jì)數(shù)方法來分析這些受力數(shù)據(jù)，通過計(jì)算，可得出機(jī)械負(fù)荷刺激量。

不僅要了解航天員在太空中下肢受到的機(jī)械負(fù)荷刺激量與在地面上有什么不同，還要知道肌肉的活動(dòng)出現(xiàn)了什么變化。在有關(guān)的太空生活的視頻中，有心人會(huì)注意到航天員在太空不能像在地面上那樣站立，常常像母親腹中的胎兒一樣，蜷曲著身子，漂浮在空中，這樣肌肉的活動(dòng)與地面肯定不一樣了。為了揭露太空中肌肉活動(dòng)的秘密，需要知道航天員到太空中下肢肌肉的長度發(fā)生了什么變化。無法直接測量出肌肉長度的改變，但是如果同時(shí)測量下肢關(guān)節(jié)角度和下肢肌肉的肌電圖，將這些數(shù)據(jù)輸入一個(gè)數(shù)學(xué)模型，就可以推斷出不同活動(dòng)情況下肌肉的長度。為了測量下肢關(guān)節(jié)的活動(dòng)，研究者們研制了關(guān)節(jié)偏移傳感器，它可以記錄踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)的偏移角度。

如何將這些記錄設(shè)備總裝在一起，達(dá)到上天應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)呢？研究者們經(jīng)過反復(fù)構(gòu)思和試驗(yàn)，最后研制出一個(gè)稱之為“下肢監(jiān)測服”的特殊褲子。這個(gè)像運(yùn)動(dòng)褲一樣的服裝里，裝的寶貝可不少，通過尼龍搭扣將需要測量指標(biāo)的電極和小設(shè)備都貼附在上面，它還有一個(gè)可以連續(xù)采集數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)有14個(gè)采樣頻道：7個(gè)記錄下肢各肌肉和右臂兩塊肌的肌電圖，4個(gè)記錄各關(guān)節(jié)的角度， 2個(gè)記錄足/地面反作用力，還有一個(gè)可以標(biāo)記時(shí)間的頻道。每次測試后，測量的數(shù)據(jù)首先儲(chǔ)存到非固定的信息收集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)里，然后傳送到國際空間站人體研究設(shè)備的手提式電腦內(nèi)。不使用時(shí)，所有的足部的硬件都存放在人體研究設(shè)備中。盡管里面有這么多東西，但安排得很好，穿上它不會(huì)影響航天員的日?；顒?dòng)。

飛行前，要對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和整個(gè)數(shù)據(jù)采集的有效性、 軟件和數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行一次又一次的試驗(yàn)和評(píng)估，只有做到完全符合太空實(shí)驗(yàn)要求，才能進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)。

具體實(shí)施程序 國際空間站第6、8、11、12宇航組接受了完成“Foot實(shí)驗(yàn)”的任務(wù)，太空中航天員要完成很多任務(wù)，“Foot實(shí)驗(yàn)”只是其中的“滄海一粟”，故每次任務(wù)中只有一名航天員參加實(shí)驗(yàn)，共4名被試者，均為男性，飛行時(shí)間6個(gè)月。 收集航天員在地球上4天和飛行中4-7 天中數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)日，航天員必須穿上下肢監(jiān)測褲，像平日一樣生活、工作和鍛煉，下肢監(jiān)測褲將連續(xù)地收集航天員6.5-11.8小時(shí)活動(dòng)期間的數(shù)據(jù)。每次紀(jì)錄后，先暫時(shí)存到一個(gè)可以移動(dòng)的存儲(chǔ)器里，之后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到空間 站的人體研究設(shè)備手提式電腦電腦中。

第12宇航組的指令長麥克·阿瑟在跑臺(tái)上鍛煉

漂浮在空中的航天員

第8宇航組的指令長福阿萊在美國的“命運(yùn)”實(shí)驗(yàn)室的人體實(shí)驗(yàn)設(shè)備旁工作

研究者們可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，比較航天員在地面和太空飛行期間上述指標(biāo)的差別，就可以知道地面和太空人足部受力的不同和微重力對(duì)肌肉-骨骼系統(tǒng)的影響。下面幾張圖是航天員穿著下肢監(jiān)控套裝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況。

首戰(zhàn)告捷

這次太空“Foot實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行得十分順利，航天員們圓滿地完成了任務(wù)，科學(xué)家們獲得很多寶貴的數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，科學(xué)家們主要的收獲有以下兩點(diǎn)：

飛行中航天員下肢的受力低于地面，需要加大飛行中航天員的負(fù)荷量

這句話似乎并不驚人，因?yàn)檠芯空邆冊谶M(jìn)行此實(shí)驗(yàn)前就預(yù)料到有這個(gè)結(jié)果。但是，對(duì)于科學(xué)家來說，任何話都要有科學(xué)依據(jù)。這次實(shí)驗(yàn)不僅證明了這句話的正確性，也確切地知道航天員在空間站上時(shí)，每日下肢負(fù)荷平均減少了25%和幾種運(yùn)動(dòng)時(shí)足部承受的力，這對(duì)制定今后的防護(hù)措施是十分有用的。下面舉出一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說明一下。

右圖是航天員在地球（1g）和國際空間站上進(jìn)行自行車、跑臺(tái)上行走和跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)足部承受的反作用力（簡稱足力）。由圖可見，與地球上（黑柱）相比，太空飛行中（灰柱）三種運(yùn)動(dòng)足部的受力都下降。足力大小的順序是：跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)>跑臺(tái)上行走>自行車運(yùn)動(dòng)>安靜狀態(tài)。這點(diǎn)很重要，說明跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)是太空中增加航天員運(yùn)動(dòng)負(fù)荷量最好的運(yùn)動(dòng)方式，這也證實(shí)了航天員們主觀的感受，很多航天員在返回地球后，對(duì)航天醫(yī)生們說，認(rèn)為太空中跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)最好。這樣，在今后制定飛行中的防護(hù)措施時(shí)，就可以考慮向跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)傾斜。

2. 找到了航天中引起肌肉萎縮和功能下降的原因

比較了同一名航天員飛行前后下肢肌肉的容積和功能，發(fā)現(xiàn)盡管已經(jīng)采用了很多運(yùn)動(dòng)來防止它們的變化，仍然出現(xiàn)明顯的下降。例如，飛行后，航天員小腿肌肉的體積下降10%～16%，運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，航天員總的做功下降14%，疲勞明顯增加。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？“Foot”實(shí)驗(yàn)給出了解答，這是因?yàn)樵谔眨轮P(guān)節(jié)活動(dòng)的角度變小，而且關(guān)節(jié)移動(dòng)的速度減慢， 肌肉受不到鍛煉，結(jié)果就萎縮了。

Foot實(shí)驗(yàn)表明，目前國際空間站上日常生活（包括體育鍛煉）中，航天員下肢所承受的負(fù)載量低于地球上，現(xiàn)在航天中采用的防護(hù)措施刺激量還不足以防止微重力引起的肌肉萎縮和骨質(zhì)疏松。為了防止微重力引起的肌肉萎縮和骨質(zhì)疏松，必須在未來的防護(hù)措施制定時(shí)，使刺激負(fù)荷量達(dá)到與地球上相等的水平。

飛行前和飛行中運(yùn)動(dòng)時(shí)的足力