“足”也到太空湊熱鬧

□ 云英

航天員在進行“Foot 實驗”

在太空進行的航天醫學研究中，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學研究計劃中頭一次露臉，過了一把“當主角”的癮。

2002-2006年，在國際空間站第6、8、11、12宇航組執行任務期間，航天員們完成了美國航宇局的一項名為“太空中足/地反作用力” 的實驗（簡稱Foot實驗）。這項實驗不僅是航天醫學家們十分感興趣的一個研究課題，也是美國航宇局對學生進行航天知識教育的一項實驗。參加此實驗的有12年級的中學生、大學生和研究生，他們參與了數據運算法則的研發和一些實驗技術工作，也參與了地面的硬件試驗和醫學實驗，以及后期的結果分析和總結。下面就讓我們來了解一下“足”能夠在太空實驗這個大舞臺中占一席之地的理由和它是如何完成這項重要任務的。

“足”登上太空實驗舞臺的原因

航天員在地球軌道飛行時，都是生活在特別為他們設計的座艙里，即便到艙外，也是在艙外航天服的保護下，太空的真空、輻射、高低溫等致命惡劣環境危害不到他們。但是，他們卻逃脫不了太空微重力環境的“威脅”，微重力已成為“危害”航天員健康的主要兇手。50多年的航天飛行實踐和研究證明，微重力是航天員健康的“殺手”，會影響到航天員的各個器官。當然，肌肉-骨骼系統也無法逃脫。對于肌肉-骨骼系統來說，由于失重, 人在太空中維持姿勢和進行運動不再需要對抗重力的作用，可以“飄飄然”地從一個地方“飛”到另一個地方，也可以不費吹灰之力就將一個人或重物舉起，這使得肌肉-骨骼系統處于一種“廢用”狀態。時間一長，就出現肌肉萎縮和骨質疏松，飛行時間越長，這種變化越大。

航天引起的肌肉-骨骼改變，十分類似人進入老年時的改變。航天員返回地球后，會像老年人一樣手腳不靈活，運動能力下降，跑不動，走不快。這對于執行短期飛行任務的航天員來說影響還不十分大，最多返回地球后適應一段時間就能恢復到飛行前的狀態。但是，對執行長期飛行任務的航天員來說，不僅影響到航天任務的執行（例如，出艙活動和需要消耗體力的任務），在返回地球后，也需要很長時間恢復，甚至幾年還不能恢復。進入21世紀后，人類要到月球建立長期棲息地、到火星探險，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，航天醫學家們一直以來都十分重視微重力對肌肉-骨骼系統影響的研究，在地面和太空中進行不少研究，制定了許多防護措施，不惜工本地研制了很多小巧玲瓏的運動器材，送到太空供航天員使用。航天員也在太空花費了不少寶貴的時間來實施這些措施，例如，長期飛行的航天員每天要花費2個小時左右來運動，結果成效不大，他們在返回地球后仍出現肌肉萎縮和骨質喪失。這說明目前采用的防護措施還不足以對抗微重力對肌肉-骨骼系統的影響，航天中的防護措施有待改進。

為什么會出現這個現象呢？在地面運動可以明顯地提高人體的肌肉-骨骼系統功能，防止肌肉萎縮和骨質疏松，為什么在太空同樣負荷量的運動就“失靈”了呢？一些航天醫學研究者們認為可能是由于航天員在太空日常生活中（其中包括每日的運動和工作），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動時作用在下肢的負荷量低于在地球上的負荷量，故引起肌肉-骨骼系統的“廢用性”改變。可是，到目前為止，到底航天員在太空時足部受力有多大，還是個未知數。要制定有效的太空防護措施，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”就被請出來，在國際空間站的“Foot 實驗”中扮演了主角。“Foot實驗”不僅是研發今后微重力防護措施的重要基礎，對認識、預防和治療地球上的骨質疏松癥和肌肉萎縮也有重要意義。

實驗的實施

與地面試驗不同，“Foot 實驗”是一項在太空中進行的實驗，地面實驗即使失敗了，還可以進行第二次、第三次……，最多多花些經費，研究人員多付出些時間。太空實驗可是“一錘子買賣”，如果失敗了，可能永遠沒有機會再進行這項實驗了。所以，研究人員十分珍惜這次寶貴的機會，他們經過大量的調研，周密的實驗設計，確定不僅要比較航天員飛行前和飛行中指定實驗日里“足部”的受力大小，還要測量膝關節的活動范圍、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動狀態和足部受力大小，比較出天地差別，為今后防護措施的制定提供實驗數據。

設想的未來火星棲息地

航天員使用特殊阻力裝置進行訓練

解決測試方法 要達到上述目的，首先需要解決的問題是如何來測量這些指標。有三個指標（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-骨骼系統發生哪些變化。這很容易達到，醫院中有很多儀器和方法可以使用，在Foot實驗中用的是雙能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 。地面和太空實驗中除了肌電圖指標的記錄容易解決外，還需要解決以下三個指標的測試問題：1）足部受力大小；2）下肢關節活動范圍；3）適用于太空實驗的實驗裝置。研究者們為此動了不少腦筋，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，研究者們設計了一雙特制的鞋，鞋墊上有測力傳感器。測力時，通過氮源對氯丁橡膠囊狀物充氣，使鞋墊表面與腳底保持密切接觸，保證測量數據的準確性。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。航天員一天活動中足部所受到的反作用力相加，就是航天員一天活動中足部的總反作用力。這個總反作用力還不是下肢受到的機械負荷刺激量。為了確定連續的日常活動（坐、站立、行走、跑步和其他活動）對下肢的機械負荷刺激量，研究者們采用了雨流峰計數方法來分析這些受力數據，通過計算，可得出機械負荷刺激量。

不僅要了解航天員在太空中下肢受到的機械負荷刺激量與在地面上有什么不同，還要知道肌肉的活動出現了什么變化。在有關的太空生活的視頻中，有心人會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，這樣肌肉的活動與地面肯定不一樣了。為了揭露太空中肌肉活動的秘密，需要知道航天員到太空中下肢肌肉的長度發生了什么變化。無法直接測量出肌肉長度的改變，但是如果同時測量下肢關節角度和下肢肌肉的肌電圖，將這些數據輸入一個數學模型，就可以推斷出不同活動情況下肌肉的長度。為了測量下肢關節的活動，研究者們研制了關節偏移傳感器，它可以記錄踝關節、膝關節、髖關節的偏移角度。

如何將這些記錄設備總裝在一起，達到上天應用的標準呢？研究者們經過反復構思和試驗，最后研制出一個稱之為“下肢監測服”的特殊褲子。這個像運動褲一樣的服裝里，裝的寶貝可不少，通過尼龍搭扣將需要測量指標的電極和小設備都貼附在上面，它還有一個可以連續采集數據的采集系統，此系統有14個采樣頻道：7個記錄下肢各肌肉和右臂兩塊肌的肌電圖，4個記錄各關節的角度， 2個記錄足/地面反作用力，還有一個可以標記時間的頻道。每次測試后，測量的數據首先儲存到非固定的信息收集數據采集系統里，然后傳送到國際空間站人體研究設備的手提式電腦內。不使用時，所有的足部的硬件都存放在人體研究設備中。盡管里面有這么多東西，但安排得很好，穿上它不會影響航天員的日常活動。

飛行前，要對所有的實驗設備和整個數據采集的有效性、 軟件和數據采集程序進行一次又一次的試驗和評估，只有做到完全符合太空實驗要求，才能進行太空實驗。

具體實施程序 國際空間站第6、8、11、12宇航組接受了完成“Foot實驗”的任務，太空中航天員要完成很多任務，“Foot實驗”只是其中的“滄海一粟”，故每次任務中只有一名航天員參加實驗，共4名被試者，均為男性，飛行時間6個月。 收集航天員在地球上4天和飛行中4-7 天中數據，在實驗日，航天員必須穿上下肢監測褲，像平日一樣生活、工作和鍛煉，下肢監測褲將連續地收集航天員6.5-11.8小時活動期間的數據。每次紀錄后，先暫時存到一個可以移動的存儲器里，之后再將數據轉移到空間 站的人體研究設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”實驗室的人體實驗設備旁工作

研究者們可以通過對實驗數據的分析，比較航天員在地面和太空飛行期間上述指標的差別，就可以知道地面和太空人足部受力的不同和微重力對肌肉-骨骼系統的影響。下面幾張圖是航天員穿著下肢監控套裝進行實驗的情況。

首戰告捷

這次太空“Foot實驗”進行得十分順利，航天員們圓滿地完成了任務，科學家們獲得很多寶貴的數據。通過對這些數據的分析，科學家們主要的收獲有以下兩點：

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荷量

這句話似乎并不驚人，因為研究者們在進行此實驗前就預料到有這個結果。但是，對于科學家來說，任何話都要有科學依據。這次實驗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，每日下肢負荷平均減少了25%和幾種運動時足部承受的力，這對制定今后的防護措施是十分有用的。下面舉出一個實驗結果來說明一下。

右圖是航天員在地球（1g）和國際空間站上進行自行車、跑臺上行走和跑臺運動時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）三種運動足部的受力都下降。足力大小的順序是：跑臺運動>跑臺上行走>自行車運動>安靜狀態。這點很重要，說明跑臺運動是太空中增加航天員運動負荷量最好的運動方式，這也證實了航天員們主觀的感受，很多航天員在返回地球后，對航天醫生們說，認為太空中跑臺運動最好。這樣，在今后制定飛行中的防護措施時，就可以考慮向跑臺運動傾斜。

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，發現盡管已經采用了很多運動來防止它們的變化，仍然出現明顯的下降。例如，飛行后，航天員小腿肌肉的體積下降10%～16%，運動實驗中，航天員總的做功下降14%，疲勞明顯增加。為什么會出現這種情況？“Foot”實驗給出了解答，這是因為在太空，下肢關節活動的角度變小，而且關節移動的速度減慢， 肌肉受不到鍛煉，結果就萎縮了。

Foot實驗表明，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載量低于地球上，現在航天中采用的防護措施刺激量還不足以防止微重力引起的肌肉萎縮和骨質疏松。為了防止微重力引起的肌肉萎縮和骨質疏松，必須在未來的防護措施制定時，使刺激負荷量達到與地球上相等的水平。

飛行前和飛行中運動時的足力