航空航天生物動力學(xué)未來20年的進(jìn)與退

馬海林，李東韜，殷伯平，周華忠，張 舒

航空航天生物動力學(xué)是研究生物體在航空航天動力環(huán)境中生理機(jī)能變化規(guī)律及其防護(hù)措施的學(xué)科，是航空航天醫(yī)學(xué)主要分支學(xué)科之一［1］。航空航天動力環(huán)境指的是飛行過程中速度和/或加速度驟變的動力環(huán)境。當(dāng)動力環(huán)境變化太大，如飛機(jī)高速機(jī)動飛行、飛機(jī)發(fā)生碰撞、飛行員彈射離機(jī)或從高處墜落、航天員在微重力環(huán)境長期停留等，則可能產(chǎn)生有害影響，甚至造成傷害或死亡。所以，飛行活動過程中，與速度和/或加速度變化有關(guān)的各種動力環(huán)境因素，包括超重、失重和振動等，它們對機(jī)體的生理影響及防護(hù)措施研究，是航空航天生物動力學(xué)的主要研究內(nèi)容。鑒于該學(xué)科在航空航天醫(yī)學(xué)中的重要性，本文對航空航天生物動力學(xué)未來20年的發(fā)展做一展望，為更好地開展學(xué)科建設(shè)提供參考。

1 航空航天生物動力學(xué)的發(fā)展簡況

航空航天生物動力學(xué)的研究奠基于19世紀(jì)末，是隨著航空器的發(fā)展而逐步建立起來的。20世紀(jì)30～40年代，航空器的機(jī)動性能顯著增強(qiáng)，隨之帶來的航空動力環(huán)境影響急劇突出，推動了生物動力學(xué)研究的第一個快速發(fā)展階段，解決了當(dāng)時軍事飛行中跳傘、振動和加速度防護(hù)等任務(wù)的需求［2］。20世紀(jì)50～70年代，航空器進(jìn)入了噴氣發(fā)動機(jī)和超音速飛行時代，航天技術(shù)也日新月異，生物動力學(xué)進(jìn)入了第二個快速發(fā)展階段，在繼續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)的超重和振動等生物動力學(xué)因素研究的基礎(chǔ)上，也推動了短期航天飛行中失重的影響及其防護(hù)研究。20世紀(jì)70年代末至今，航空器的發(fā)展進(jìn)入了四代機(jī)的時代，航天器進(jìn)入了空間站長期載人飛行的時代，生物動力學(xué)進(jìn)入了第三個快速發(fā)展階段，這期間超重和長期失重的研究隨工作任務(wù)性質(zhì)的不同均有了極大的發(fā)展［3］。在航空領(lǐng)域，四代機(jī)能進(jìn)行超音速巡航，具有極強(qiáng)的機(jī)動性能，能夠產(chǎn)生12個+Gz的飛行加速度，超過了人類可以耐受的生理負(fù)荷限度［4］;在航天領(lǐng)域，火星探索和月球基地等任務(wù)，使得人類也面臨更長期失重的影響，這些任務(wù)對航空航天生物動力學(xué)的研究提出了新的挑戰(zhàn)。

2 航空航天生物動力學(xué)未來20年的進(jìn)與退

回顧學(xué)科80年的發(fā)展，回溯更長至130年來的研究之路，可以看出，學(xué)科的研究與發(fā)展是社會進(jìn)步的需求所推動的，是航空器和航天器的技術(shù)進(jìn)步所引領(lǐng)的，可以預(yù)見，未來戰(zhàn)機(jī)將走向“無人化”和自動化，而人類進(jìn)軍太空的腳步將不會停止，太空旅行和太空移民將成為常態(tài)和可能，因此，航空航天生物動力學(xué)的發(fā)展在航空界和航天界將出現(xiàn)本質(zhì)的變化，出現(xiàn)航空醫(yī)學(xué)的需求“退”，將更加側(cè)重于航天醫(yī)學(xué)研究的“進(jìn)”，表現(xiàn)出“智能防護(hù)、空天合一、優(yōu)化特色、微觀突破、回歸重力”的發(fā)展特點(diǎn)。

2.1 智能防護(hù) 航空生物動力學(xué)經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的加速度超重和彈射救生過載研究，已經(jīng)走到了瓶頸階段?，F(xiàn)有的綜合防護(hù)措施和雙零彈射座椅已經(jīng)基本滿足了最新型四代戰(zhàn)機(jī)的裝備需求?；げ牧稀⒓徔椉夹g(shù)、微電子控制、信息工程和生物醫(yī)學(xué)等高技術(shù)群體的整合為進(jìn)一步提升綜合抗荷能力奠定了基礎(chǔ)［5］。在抗荷裝備發(fā)展方面，將研發(fā)抗荷、供氧、抗浸、代償、通風(fēng)、液冷、隔噪、防火、防化、防核一體化飛行員防護(hù)系統(tǒng)，并按人體生理的反應(yīng)和需求提供相應(yīng)的被動防護(hù)策略，減少飛行員主動防護(hù)動作，提升飛行員充分發(fā)揮三代機(jī)和四代機(jī)機(jī)動飛行性能的能力;在彈射救生裝備發(fā)展方面，將開發(fā)第四代智能型彈射座椅［6］。該類座椅可根據(jù)飛機(jī)飛行狀態(tài)自動選擇彈射模式，通過微電子信號控制火箭發(fā)動機(jī)的功率和作用時間，利用微控噴射技術(shù)自動調(diào)整座椅的飛行姿態(tài)，保障在更大飛行空間和飛行速度彈射時的安全穩(wěn)定性?？傮w而言，新型防護(hù)裝備均將具備智能防護(hù)的特點(diǎn)，減少飛行員主動防護(hù)的操作，綜合提高新型戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)效能。

2.2 空天合一 四代戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)在飛行機(jī)動性能上達(dá)到或超過了人類生理負(fù)荷耐受的極限。美國為了保持空中優(yōu)勢，五代戰(zhàn)機(jī)的研發(fā)也已經(jīng)開始［7］。按美軍裝備司令部的規(guī)劃要求，在2030年美軍的第五代戰(zhàn)機(jī)將形成戰(zhàn)斗力。特別值得強(qiáng)調(diào)的是，美軍首次提出了無人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計需求。這表明，在追求機(jī)動性能上，有人駕駛已經(jīng)不能滿足作戰(zhàn)任務(wù)的需求，而只能通過更加先進(jìn)和整合的科技能力以保障無人戰(zhàn)機(jī)控制天空的能力。更為重要的是，美軍已經(jīng)研發(fā)并完成了無人駕駛空天飛機(jī)“X-37B”長達(dá)15個月的軌道飛行試驗(yàn)，標(biāo)志著美國無人空天飛機(jī)的驗(yàn)證取得了新的進(jìn)展。在無人駕駛空天飛機(jī)研究中，各國也不甘落后，俄羅斯的“針”空天飛機(jī)已公開亮相，德國提出了“桑格爾”方案，英國提出了“霍托爾”方案，我國在此方面的預(yù)研也早已展開。因此，未來的航空航天生物動力學(xué)將可能在百歲之日開始退出航空醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的歷史舞臺，此時的航空航天生物動力學(xué)將體現(xiàn)為空天合一，重點(diǎn)為載人航天的醫(yī)學(xué)研究服務(wù)。

2.3 優(yōu)化特色 國際航天醫(yī)學(xué)工作者十分關(guān)注中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的最新進(jìn)展，俄羅斯、歐洲都曾嘗試將中醫(yī)藥運(yùn)用于失重防護(hù)研究，比利時政府則優(yōu)先資助航天醫(yī)學(xué)專家開展中醫(yī)藥研究［8］。中醫(yī)在疾病的診治中注重整體觀念，講究整個身體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。同時也注重辨證論治，講究個體的特異性，具體問題具體分析。我國航天醫(yī)學(xué)工作者在祖國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究方面早已起步，他們開展了系列的試驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目，如“中醫(yī)藥防治模擬失重狀態(tài)骨丟失研究”、“載人航天不同時相中醫(yī)辨治研究”和“中醫(yī)藥對中長期飛行生理適應(yīng)影響研究”等［9］。研究表明，應(yīng)用中醫(yī)藥可緩解多種由航天飛行所引起的癥狀，而且效果顯著。在2011年完成的國際“火星-500”項(xiàng)目中，我國還開展了通過中醫(yī)望、聞、問、切來進(jìn)行診斷的“中醫(yī)四診儀”實(shí)驗(yàn)研究，有望建立計算機(jī)輔助的自動中醫(yī)診斷儀［10］。這些初步的研究更清楚地表明，發(fā)揮傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢，優(yōu)化失重的特色防護(hù)方案，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。

2.4 微觀突破 在失重效應(yīng)的防護(hù)研究方面，當(dāng)前已開發(fā)和使用的所有防護(hù)手段，還未能有效解決登陸火星或月球基地居住等更長期航天環(huán)境停留對人體造成的不良影響。美、俄在經(jīng)歷了50余年的載人航天醫(yī)學(xué)研究后，認(rèn)為必須在基于對失重導(dǎo)致的醫(yī)學(xué)問題的細(xì)胞、分子變化本質(zhì)認(rèn)識的基礎(chǔ)上，才能發(fā)展針對性強(qiáng)的有效對抗防護(hù)措施［8，11］。NASA在其21世紀(jì)航天發(fā)展戰(zhàn)略中，將細(xì)胞的生物學(xué)研究列為首要重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，并提出從細(xì)胞到實(shí)施醫(yī)學(xué)的概念，引發(fā)了生物動力學(xué)研究的新趨勢，即失重的生物學(xué)效應(yīng)及其響應(yīng)機(jī)制的研究。例如，在骨骼研究中，本課題組從模擬失重條件下成骨細(xì)胞的形態(tài)、增殖、分化、細(xì)胞周期、基因變化、microRNA的功能調(diào)控等多方面開展了研究，證實(shí)了失重對成骨細(xì)胞的直接性影響，豐富了失重性骨質(zhì)丟失機(jī)制的研究成果［12-15］。生物動力學(xué)的微觀研究將為確定空間探索中不可回避的失重暴露風(fēng)險的影響機(jī)制，解決失重環(huán)境的防護(hù)問題做出新的貢獻(xiàn)。

2.5 回歸重力 失重環(huán)境改變了人體數(shù)百萬年演化形成的對1G重力的適應(yīng)機(jī)制，在航天環(huán)境中重建1 G重力環(huán)境，也許可以從根本上解決失重環(huán)境帶來的問題［16］。人為重建的重力環(huán)境，又稱為人工重力。使用短臂人體離心機(jī)提供重力加速度刺激是較為實(shí)用的方案。但是，短臂離心機(jī)鍛煉方式的研究還沒有解決下列問題，即使用短臂離心機(jī)對抗失重環(huán)境的影響，需要對航天員提供多大、多長和多少次的重力刺激，才能維持航天員近似地面重力環(huán)境時的正常生理功能狀態(tài)。研究證實(shí)，心血管系統(tǒng)、肌肉系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)對重力刺激的反應(yīng)性有著較為明顯的區(qū)別，還需要開發(fā)人工重力和體育鍛煉相結(jié)合的防護(hù)模式，提供更好的防護(hù)效果［17-18］。

3 結(jié)語

未來20年，航空航天生物動力學(xué)將出現(xiàn)在航空領(lǐng)域“退”、航天領(lǐng)域“進(jìn)”的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。生物動力學(xué)在航空醫(yī)學(xué)研究中形成的加速度、振動和噪聲等基礎(chǔ)及應(yīng)用研究成果，仍將在航天領(lǐng)域中大放異彩。

［1］ 吳興裕.航空航天生物動力學(xué)［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1999：1-5.

［2］ 顧誦芬，史超禮.世界航空發(fā)展史［M］.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1998：166-184.

［3］ 顧誦芬，史超禮.世界航天發(fā)展史［M］.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2000：280-305.

［4］ 徐邦年.未來空戰(zhàn)與航空裝備的發(fā)展［J］.中國科技教育，2011，1：57-61.

［5］ 張立輝，耿喜臣，金朝，等.新型一體化飛行員防護(hù)系統(tǒng)的離心機(jī)評價［J］.中華航空航天醫(yī)學(xué)雜志，2004，15(4)：204-209.

［6］ 樊虎，練兵，王子田，等.淺析航空座椅彈射火箭的發(fā)展［J］.航空工程進(jìn)展，2012，3：279-283.

［7］ 王傳勝.美國空軍未來能力及其航空關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2012，1：22-25.

［8］ 孫喜慶，姜世忠.空間醫(yī)學(xué)與生物學(xué)研究［M］.西安：第四軍醫(yī)大學(xué)出版社，2010：180-315.

［9］ 張林，謝鳴.失重生理適應(yīng)的中醫(yī)藥研究思路探析［J］.中醫(yī)藥學(xué)刊，2005，23(4)：616-617.

［10］ 龐征.模擬火星飛船圓滿完成“火星-500”任務(wù)［J］.國際太空，2011，12：1-7.

［11］ 李英賢，李琦，王曉剛，等.微重力細(xì)胞分子生物學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2011，24(6)：392-397.

［12］ Zhang S，Wang B，Cao XS，et al.The influence of fluid shear stress on the expression of Cbfa1 in MG-63 cells cultured under different gravitational conditions［J］.Adv Space Res，2008，42：1980-1985.

［13］ 王攀，張舒，王冰，等.模擬失重對MG-63細(xì)胞形態(tài)、增殖及周期的影響［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2007，20(6)：406-409.

［14］ 杜挺媛，張舒，曹新生，等.流體剪切應(yīng)力對模擬微重力下MG-63細(xì)胞骨架系統(tǒng)的影響［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2012，25(4)：235-238.

［15］ 胡澤兵，王冰，曹新生，等.模擬失重下小鼠成骨細(xì)胞功能相關(guān)miRNA的生物信息學(xué)預(yù)測［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2012，25(6)：407-411.

［16］ 張立藩.人工重力的生物醫(yī)學(xué)問題：以往工作回顧與面臨的挑戰(zhàn)［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2001，14(1)：70-74.

［17］ Zhang LF，Sun B，Cao XS，et al.Effectiveness of intermittent-Gx gravitation in preventing deconditioning due to simulated microgravity［J］.J Appl Physiol，2003，95(1)：207-218.

［18］ Zhang LF.Region-specific vascular remodeling and its prevention by artificial gravity in weightless environment［J］.Eur J Appl Physiol，［Epub ahead of print］.DOI 10.1007/s00421-013-2597-2598.