“足”也到太空凑热闹

□ 云英

航天员在进行“Foot 实验”

在太空进行的航天医学研究中，一向唱主角的是人体的心脏、脑、血管、前庭器官、骨骼、肌肉、内分泌等器官。但是，这次“足”也露面了，它也来凑热闹，最近在国际空间站的医学研究计划中头一次露脸，过了一把“当主角”的瘾。

2002-2006年，在国际空间站第6、8、11、12宇航组执行任务期间，航天员们完成了美国航宇局的一项名为“太空中足/地反作用力” 的实验（简称Foot实验）。这项实验不仅是航天医学家们十分感兴趣的一个研究课题，也是美国航宇局对学生进行航天知识教育的一项实验。参加此实验的有12年级的中学生、大学生和研究生，他们参与了数据运算法则的研发和一些实验技术工作，也参与了地面的硬件试验和医学实验，以及后期的结果分析和总结。下面就让我们来了解一下“足”能够在太空实验这个大舞台中占一席之地的理由和它是如何完成这项重要任务的。

“足”登上太空实验舞台的原因

航天员在地球轨道飞行时，都是生活在特别为他们设计的座舱里，即便到舱外，也是在舱外航天服的保护下，太空的真空、辐射、高低温等致命恶劣环境危害不到他们。但是，他们却逃脱不了太空微重力环境的“威胁”，微重力已成为“危害”航天员健康的主要凶手。50多年的航天飞行实践和研究证明，微重力是航天员健康的“杀手”，会影响到航天员的各个器官。当然，肌肉-骨骼系统也无法逃脱。对于肌肉-骨骼系统来说，由于失重, 人在太空中维持姿势和进行运动不再需要对抗重力的作用，可以“飘飘然”地从一个地方“飞”到另一个地方，也可以不费吹灰之力就将一个人或重物举起，这使得肌肉-骨骼系统处于一种“废用”状态。时间一长，就出现肌肉萎缩和骨质疏松，飞行时间越长，这种变化越大。

航天引起的肌肉-骨骼改变，十分类似人进入老年时的改变。航天员返回地球后，会像老年人一样手脚不灵活，运动能力下降，跑不动，走不快。这对于执行短期飞行任务的航天员来说影响还不十分大，最多返回地球后适应一段时间就能恢复到飞行前的状态。但是，对执行长期飞行任务的航天员来说，不仅影响到航天任务的执行（例如，出舱活动和需要消耗体力的任务），在返回地球后，也需要很长时间恢复，甚至几年还不能恢复。进入21世纪后，人类要到月球建立长期栖息地、到火星探险，微重力引起的肌肉-骨骼变化和功能下降的问题就变得突出了。

为此，航天医学家们一直以来都十分重视微重力对肌肉-骨骼系统影响的研究，在地面和太空中进行不少研究，制定了许多防护措施，不惜工本地研制了很多小巧玲珑的运动器材，送到太空供航天员使用。航天员也在太空花费了不少宝贵的时间来实施这些措施，例如，长期飞行的航天员每天要花费2个小时左右来运动，结果成效不大，他们在返回地球后仍出现肌肉萎缩和骨质丧失。这说明目前采用的防护措施还不足以对抗微重力对肌肉-骨骼系统的影响，航天中的防护措施有待改进。

为什么会出现这个现象呢？在地面运动可以明显地提高人体的肌肉-骨骼系统功能，防止肌肉萎缩和骨质疏松，为什么在太空同样负荷量的运动就“失灵”了呢？一些航天医学研究者们认为可能是由于航天员在太空日常生活中（其中包括每日的运动和工作），作用在下肢骨骼和肌肉的力小于在地球上，使得航天员在太空日常生活和运动时作用在下肢的负荷量低于在地球上的负荷量，故引起肌肉-骨骼系统的“废用性”改变。可是，到目前为止，到底航天员在太空时足部受力有多大，还是个未知数。要制定有效的太空防护措施，必须首先知道太空中航天员在日常生活中足部受力的大小。这样，“足”就被请出来，在国际空间站的“Foot 实验”中扮演了主角。“Foot实验”不仅是研发今后微重力防护措施的重要基础，对认识、预防和治疗地球上的骨质疏松症和肌肉萎缩也有重要意义。

实验的实施

与地面试验不同，“Foot 实验”是一项在太空中进行的实验，地面实验即使失败了，还可以进行第二次、第三次……，最多多花些经费，研究人员多付出些时间。太空实验可是“一锤子买卖”，如果失败了，可能永远没有机会再进行这项实验了。所以，研究人员十分珍惜这次宝贵的机会，他们经过大量的调研，周密的实验设计，确定不仅要比较航天员飞行前和飞行中指定实验日里“足部”的受力大小，还要测量膝关节的活动范围、下肢肌肉容积、肌肉力量和骨密度的变化，这样才能很好地了解航天中下肢的运动状态和足部受力大小，比较出天地差别，为今后防护措施的制定提供实验数据。

设想的未来火星栖息地

航天员使用特殊阻力装置进行训练

解决测试方法 要达到上述目的，首先需要解决的问题是如何来测量这些指标。有三个指标（下肢肌肉容积、肌肉力量和骨密度）只需要在飞行前后测量，目的是看看太空飞行引起肌肉-骨骼系统发生哪些变化。这很容易达到，医院中有很多仪器和方法可以使用，在Foot实验中用的是双能X线骨密度仪测量骨密度，磁共振成像仪测量下肢容积， Cybex等速肌力测试仪测肌力 。地面和太空实验中除了肌电图指标的记录容易解决外，还需要解决以下三个指标的测试问题：1）足部受力大小；2）下肢关节活动范围；3）适用于太空实验的实验装置。研究者们为此动了不少脑筋，想了很多方法，下面就将研究者们的“奇思妙想”一一道来。

为了记录不同情况下足部所受的力，研究者们设计了一双特制的鞋，鞋垫上有测力传感器。测力时，通过氮源对氯丁橡胶囊状物充气，使鞋垫表面与脚底保持密切接触，保证测量数据的准确性。航天员穿上这种特殊的鞋，只要脚一着地，鞋垫里的传感器就可以将足部接触地面的反作用力测下来。航天员一天活动中足部所受到的反作用力相加，就是航天员一天活动中足部的总反作用力。这个总反作用力还不是下肢受到的机械负荷刺激量。为了确定连续的日常活动（坐、站立、行走、跑步和其他活动）对下肢的机械负荷刺激量，研究者们采用了雨流峰计数方法来分析这些受力数据，通过计算，可得出机械负荷刺激量。

不仅要了解航天员在太空中下肢受到的机械负荷刺激量与在地面上有什么不同，还要知道肌肉的活动出现了什么变化。在有关的太空生活的视频中，有心人会注意到航天员在太空不能像在地面上那样站立，常常像母亲腹中的胎儿一样，蜷曲着身子，漂浮在空中，这样肌肉的活动与地面肯定不一样了。为了揭露太空中肌肉活动的秘密，需要知道航天员到太空中下肢肌肉的长度发生了什么变化。无法直接测量出肌肉长度的改变，但是如果同时测量下肢关节角度和下肢肌肉的肌电图，将这些数据输入一个数学模型，就可以推断出不同活动情况下肌肉的长度。为了测量下肢关节的活动，研究者们研制了关节偏移传感器，它可以记录踝关节、膝关节、髋关节的偏移角度。

如何将这些记录设备总装在一起，达到上天应用的标准呢？研究者们经过反复构思和试验，最后研制出一个称之为“下肢监测服”的特殊裤子。这个像运动裤一样的服装里，装的宝贝可不少，通过尼龙搭扣将需要测量指标的电极和小设备都贴附在上面，它还有一个可以连续采集数据的采集系统，此系统有14个采样频道：7个记录下肢各肌肉和右臂两块肌的肌电图，4个记录各关节的角度， 2个记录足/地面反作用力，还有一个可以标记时间的频道。每次测试后，测量的数据首先储存到非固定的信息收集数据采集系统里，然后传送到国际空间站人体研究设备的手提式电脑内。不使用时，所有的足部的硬件都存放在人体研究设备中。尽管里面有这么多东西，但安排得很好，穿上它不会影响航天员的日常活动。

飞行前，要对所有的实验设备和整个数据采集的有效性、 软件和数据采集程序进行一次又一次的试验和评估，只有做到完全符合太空实验要求，才能进行太空实验。

具体实施程序 国际空间站第6、8、11、12宇航组接受了完成“Foot实验”的任务，太空中航天员要完成很多任务，“Foot实验”只是其中的“沧海一粟”，故每次任务中只有一名航天员参加实验，共4名被试者，均为男性，飞行时间6个月。 收集航天员在地球上4天和飞行中4-7 天中数据，在实验日，航天员必须穿上下肢监测裤，像平日一样生活、工作和锻炼，下肢监测裤将连续地收集航天员6.5-11.8小时活动期间的数据。每次纪录后，先暂时存到一个可以移动的存储器里，之后再将数据转移到空间 站的人体研究设备手提式电脑电脑中。

第12宇航组的指令长麦克·阿瑟在跑台上锻炼

漂浮在空中的航天员

第8宇航组的指令长福阿莱在美国的“命运”实验室的人体实验设备旁工作

研究者们可以通过对实验数据的分析，比较航天员在地面和太空飞行期间上述指标的差别，就可以知道地面和太空人足部受力的不同和微重力对肌肉-骨骼系统的影响。下面几张图是航天员穿着下肢监控套装进行实验的情况。

首战告捷

这次太空“Foot实验”进行得十分顺利，航天员们圆满地完成了任务，科学家们获得很多宝贵的数据。通过对这些数据的分析，科学家们主要的收获有以下两点：

飞行中航天员下肢的受力低于地面，需要加大飞行中航天员的负荷量

这句话似乎并不惊人，因为研究者们在进行此实验前就预料到有这个结果。但是，对于科学家来说，任何话都要有科学依据。这次实验不仅证明了这句话的正确性，也确切地知道航天员在空间站上时，每日下肢负荷平均减少了25%和几种运动时足部承受的力，这对制定今后的防护措施是十分有用的。下面举出一个实验结果来说明一下。

右图是航天员在地球（1g）和国际空间站上进行自行车、跑台上行走和跑台运动时足部承受的反作用力（简称足力）。由图可见，与地球上（黑柱）相比，太空飞行中（灰柱）三种运动足部的受力都下降。足力大小的顺序是：跑台运动>跑台上行走>自行车运动>安静状态。这点很重要，说明跑台运动是太空中增加航天员运动负荷量最好的运动方式，这也证实了航天员们主观的感受，很多航天员在返回地球后，对航天医生们说，认为太空中跑台运动最好。这样，在今后制定飞行中的防护措施时，就可以考虑向跑台运动倾斜。

2. 找到了航天中引起肌肉萎缩和功能下降的原因

比较了同一名航天员飞行前后下肢肌肉的容积和功能，发现尽管已经采用了很多运动来防止它们的变化，仍然出现明显的下降。例如，飞行后，航天员小腿肌肉的体积下降10%～16%，运动实验中，航天员总的做功下降14%，疲劳明显增加。为什么会出现这种情况？“Foot”实验给出了解答，这是因为在太空，下肢关节活动的角度变小，而且关节移动的速度减慢， 肌肉受不到锻炼，结果就萎缩了。

Foot实验表明，目前国际空间站上日常生活（包括体育锻炼）中，航天员下肢所承受的负载量低于地球上，现在航天中采用的防护措施刺激量还不足以防止微重力引起的肌肉萎缩和骨质疏松。为了防止微重力引起的肌肉萎缩和骨质疏松，必须在未来的防护措施制定时，使刺激负荷量达到与地球上相等的水平。

飞行前和飞行中运动时的足力