李志利 姜世忠

（1中國航天員科研訓練中心 2中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學）

1 前言

人是在地球重力環(huán)境中進化和生活的，人體各生理系統(tǒng)從形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上都已經(jīng)適應(yīng)了地球重力環(huán)境，而一旦進入失重環(huán)境，人的生理系統(tǒng)將發(fā)生一系列的適應(yīng)性變化，航天員在進入其他星球或重返地球時，失重、暴露將嚴重影響他們的安全和健康，因此需要采取相應(yīng)的防護措施[1]。防護措施是一個用來抑制產(chǎn)生這些不利影響的體系，包括物理、體育鍛煉、營養(yǎng)、藥物和程序等。依據(jù)防護措施使用時機可分為：飛行前選拔訓練、飛行中防護、返回前干預和飛行后的康復；依據(jù)防護措施的性質(zhì)可將其分為：體育鍛煉防護措施和非體育鍛煉防護措施兩類，后者又可以分為營養(yǎng)、藥物、物理和制度等，其中體育鍛煉類防護措施是目前整個失重防護措施體系中的核心[2，3]。本文主要針對長期失重體育鍛煉防護措施進行重點闡述。這些防護措施中，有些正在航天飛行中使用，有些處于研究中。

2 在用的防護措施

隨著載人航天器體積、載荷的增加，其內(nèi)部配備的體育鍛煉設(shè)備也日益完善，表1是國外不同航天器中配備的體育鍛煉設(shè)備。目前國際空間站（ISS）所用體育設(shè)備主要由拉力器、抗阻力鍛煉裝置、跑臺和自行車功量計等組成[1,2]。航天員每天都要花費大約2.5h進行鍛煉，其中包括設(shè)備準備和個人衛(wèi)生處理。鍛煉類型通常由有氧鍛煉（耐力鍛煉）和無氧鍛煉（力量鍛煉）組成，表2是ISS第11批長期考察組鍛煉日程安排中一天。

表1 國外載人航天器中的鍛煉設(shè)備

表2 ISS第11批長期考察組鍛煉日程安排中的一天

2.1 拉力器

拉力器是航天員防護失重生理效應(yīng)的重要鍛煉設(shè)備，隨后逐漸被較大型的抗阻力鍛煉裝置代替。但目前俄羅斯仍將其作為防護措施的一部分配備在國際空間站中，拉力器的鍛煉通常結(jié)合自行車功量計進行，主要用來鍛煉肩部和背部肌肉。

2.2 自行車功量計

自行車功量計是航天飛行中應(yīng)用最廣泛的一種鍛煉設(shè)備。它提供的負荷為0～350W，調(diào)節(jié)方式為手動或自動調(diào)節(jié)，操作時需采用坐位或仰臥位，可提供實時與鍛煉有關(guān)的數(shù)據(jù)。自行車功量計可用來進行有氧或無氧鍛煉，以鍛煉心血管功能，增加循環(huán)血量，維持下肢肌耐力，提高機體的有氧工作能力。除了鍛煉外，自行車功量計也用于飛行中航天員心血管功能的評價。利用自行車功量計進行上肢鍛煉，對上肢的鍛煉則有利于出艙活動。長期耐力鍛煉雖然能提高最大耗氧量（VO2max）但同時也降低了立位耐力，但在臥床結(jié)束前或航天飛行返回前進行一次最大強度的鍛煉似乎能有效對抗立位耐力不良。越來越多的研究顯示自行車功量計也能有效對抗失重性肌肉萎縮,但是對于骨骼，一般認為自行車功量計鍛煉對骨的影響有限[4]。

2.3 跑臺

跑臺是美國和蘇聯(lián)/俄羅斯空間站中最常應(yīng)用的另一種體育鍛煉防護措施，可用來進行抗重力肌的耐力鍛煉、對骨骼的高沖擊性鍛煉、對心臟的有氧鍛煉，也有助于步態(tài)訓練。它是用一個相對恒定的彈性力負荷加載裝置將航天員固定在跑臺上，負荷通過類似甲胄一樣的束縛裝置和彈性繩施加在人體上以代替重力的作用，使航天員能夠在失重環(huán)境通過在跑臺上站立、行走、跑、跳。利用跑臺鍛煉有兩種模式：馬達驅(qū)動模式，此模式下跑臺可將速度控制在0km/h～16km/h；非馬達驅(qū)動模式，即在沒有馬達帶動下，航天員在跑臺上運動需克服摩擦阻力，以帶動跑臺傳動。

2.4 抗阻力鍛煉裝置

2.4.1 飛輪抗阻力鍛煉裝置[5]

飛輪抗阻力鍛煉裝置是ESA研制的一種不依賴于重力的抗阻力鍛煉裝置，主要用在長期航天飛行中對抗失重性肌肉萎縮和骨丟失。其原理是類似玩具“悠悠球”的原理（見圖1），鍛煉時，肌肉首先向心收縮克服飛輪的慣性使其加速，隨后需要肌肉進行離心收縮使其減速，加速的力量越大，減速的力量也就越大。裝置的慣性大小通過增加或減少飛輪盤片的數(shù)量實現(xiàn)。由于該裝置能夠產(chǎn)生更大的離心力，而離心運動能夠?qū)∪猱a(chǎn)生更大的刺激，以此對抗肌肉萎縮。

圖1 飛輪抗阻力鍛煉裝置原理示意圖

2.4.2 間斷性抗阻力鍛煉裝置

間斷性抗阻力鍛煉裝置（IRED）是美國在ISS上用來對抗肌肉萎縮和骨丟失的重要防護措施，主要由肩托、連接繩和阻力筒構(gòu)成。肩托通過固定繩連著兩個阻力筒，每個筒中含有一系列彈性帶，通過轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)鍛煉阻力。利用IRED可進行多種鍛煉活動，包括肌肉大范圍的向心和離心收縮，可鍛煉所有主要肌群的力量和耐力，以維持骨骼肌的質(zhì)量和體積，同時能增加對骨的牽拉應(yīng)力刺激[6，7]。研究顯示每周6天抗阻力鍛煉能有效對抗受試者腰椎、骨盆、足跟等部位的骨密度降低。由于IRED設(shè)計最大阻力較小，約136kg，對肌肉的刺激有限，同時由于其內(nèi)部的彈力繩易老化等原因，現(xiàn)已被新一代的抗阻力鍛煉裝置（ARED）所代替。相對于IRED而言，ARED能提供更大的阻力（272kg），其實際應(yīng)用效果還未見報道。

2.5 企鵝服

企鵝服是俄羅斯設(shè)計一種特殊的服裝，其夾層中排列著多條彈力繩（圖2），航天員穿著這種服裝，在肌肉松弛時處于一種“胎兒”狀態(tài)；在進行各種操作活動和運動時，必須克服服裝彈力的作用，以此達到鍛煉肌肉的目的，可提供的最大力負荷為49kg。由于企鵝服不影響人的操作和活動，因此受到了航天員的歡迎。穿著時，初始狀態(tài)下肩部受力約15kg，每日穿著10h～12h，能有效預防比目魚肌肌纖維的萎縮[8]。

圖2 企鵝服結(jié)構(gòu)示意圖

3 研究中的防護措施

研究中的體育鍛煉防護措施除劃船器外，大部分都是不同防護措施的組合或綜合防護措施。劃船運動是一種大強度的全身運動，持續(xù)時間較長而且不依賴于重力，要求運動員具有較好的力量、耐力、速度、技能等四項基本能力，其中力量、耐力最為重要。劃船運動對心臟有著良好的作用，它可使心臟發(fā)生營養(yǎng)性肥大。劃船運動員心臟面積增大的比例僅次于公路和場地自行車運動員。早期由于劃船器體積大且笨重未持續(xù)在太空中使用。

由于失重對人體的影響涉及多個生理系統(tǒng)、也是多環(huán)節(jié)的，而現(xiàn)有單項防護措施多是針對某個生理系統(tǒng)或者失重生理效應(yīng)發(fā)生的某個環(huán)節(jié)或部分進行對抗，因此單純一項防護措施是很難進行有效防護的。通過對不同防護措施的原理進行分析，將不同的單項防護措施進行合理組合可能會產(chǎn)生比單項防護措施更加有效的防護效果。因此除進行上述單項的體育鍛煉防護措施研究外，航天醫(yī)學家們還積極探討不同防護措施之間的綜合應(yīng)用研究。

3.1 下體負壓+跑臺

受工程設(shè)計的限制，原有跑臺的力加載裝置所能提供的力負荷較小且不舒適，Hargens等設(shè)計了利用下體負壓筒來代替原有力加載裝置，并提出了下體負壓+跑步運動（LBNP/treadmill）的鍛煉模式[9]。對比研究發(fā)現(xiàn)，在高負荷（120%體重）下，LBNP/treadmill鍛煉模式的舒適性明顯好于傳統(tǒng)跑臺，能夠使參與臥床實驗男性和女性受試者最大耗氧量和短跑能力都得以維持。在LBNP/treadmill鍛煉的基礎(chǔ)上增加了5min單純LBNP暴露能有效提高了臥床后的立位耐力，對骨丟失也有一定的防護作用。雖然被證明是一項有效的防護措施，但是由于是在下體負壓裝置內(nèi)安放跑臺進行鍛煉，因此下體負壓裝置的體積較大，在狹小的太空艙內(nèi)實施還有一定的困難。

3.2 補液+自行車功量計

補充平衡液與自行車功量計聯(lián)合就是針對立位耐力不良發(fā)生的兩個因素，低血容量和心臟功能減弱，利用自行車功量計鍛煉對心臟功能進行維持，利用平衡液補充使血容量恢復。經(jīng)臥床實驗證明兩者相互結(jié)合對模擬失重后立位耐力不良形成了有效的對抗。該設(shè)計將現(xiàn)有補液措施和自行車功量計鍛煉相有機結(jié)合有效利用了現(xiàn)有的資源，提高了防護的效果。但是這種防護效果的所能持續(xù)的時間還需進一步研究，這也是其是否具有實際應(yīng)用價值的關(guān)鍵。

還有其它一些綜合防護措施的研究，如體育鍛煉與藥物、營養(yǎng)，耐力鍛煉和抗阻力鍛煉，人工重力和鍛煉結(jié)合、振動結(jié)合企鵝服或抗阻力鍛煉等。其中部分研究已取得了良好的對抗效果（見表3）。

4 體育鍛煉防護措施應(yīng)用方案

通常，體育鍛煉對于心血管、免疫和肌肉骨骼系統(tǒng)很有益處，對于前庭和體溫調(diào)節(jié)也很有幫助。然而，雖然有詳細的在軌鍛煉制度，但現(xiàn)有鍛煉措施對于骨骼、肌肉和有氧運動能力的維持效果還很有限，而且，這些措施對于神經(jīng)-運動適應(yīng)性變化和飛行后立位低血壓的影響也不盡一致。造成這種現(xiàn)象的原因部分是因為有氧運動能力、肌力、肌耐力鍛煉和骨的維持所需的運動方式不同所致，因此在制定運動方案時需要綜合考慮對各系統(tǒng)的防護作用。

表3 部分綜合防護措施防護效果

對于有氧運動能力而言，通過對臥床實驗回顧性分析發(fā)現(xiàn)，在臥床期間幾乎所有鍛煉方案（不同鍛煉類型和鍛煉持續(xù)時間）都能減緩有氧運動能力的下降。美國在航天飛行中對不同強度的有氧鍛煉進行了研究，發(fā)現(xiàn)中等強度鍛煉組航天員在飛行后VO2max下降了4.5%，而低強度鍛煉組航天員VO2max下降的程度更大，說明低強度的功量計鍛煉并不能維持失重條件下人的有氧運動能力，需要較高強度的鍛煉才有可能使長期失重后的有氧運動能力得到維持。通過對比連續(xù)性鍛煉和間歇性有氧鍛煉兩種方式的效果發(fā)現(xiàn)間歇性方式對抗效果更好。目前美國和俄羅斯采用的有氧鍛煉方式就是間歇性鍛煉?？棺枇﹀憻捯餐瑯邮情g斷性高強度能夠更有效對抗廢用性肌萎縮。最近的研究表明有氧鍛煉有助于維持肌肉中的I型肌纖維比例，是對抗阻力鍛煉很好的補充。

5 未來體育鍛煉防護措施的發(fā)展方向

雖然進行了大量強有力的鍛煉和其他防護措施的干預，航天員返回地球后還是發(fā)生了明顯的肌肉萎縮和骨質(zhì)疏松。說明現(xiàn)有的對抗體系還不能滿足人類在太空的長期駐留或登陸火星的需求，必須建立更加有效的防護措施。目前各國的航天醫(yī)學家們也正在積極探索有效的防護措施以應(yīng)對快速發(fā)展的航天需求。

5.1 現(xiàn)有體育鍛煉防護措施的優(yōu)化研究

在防護措施的發(fā)展方面，一個很重要的方向就是對現(xiàn)有防護方法的挖掘再研究，包括鍛煉設(shè)備硬件的改進和鍛煉方案或運動處方的修訂。這是因為：一方面原有的防護設(shè)備設(shè)計參數(shù)已不能滿足鍛煉方案的需求，或設(shè)計上的缺陷導致使用上的限制，如iRED設(shè)備的最大負荷較低，不能給予肌肉更大的刺激；跑臺的人體力負荷加載裝置所能施加的最大力限制和在使用時對航天員帶來的不適限制了跑步鍛煉的效果。同時這些設(shè)備對鍛煉效果的監(jiān)測和評估也帶來很多困難。另一方面，隨著研究的不斷深入和相關(guān)科學領(lǐng)域的進步，基于新理論的鍛煉方案的提出。如基于高強度間歇性鍛煉方案比持續(xù)性的鍛煉方案更適合在天基使用。

鍛煉方案的修訂主要是基于運動醫(yī)學科學的發(fā)展和航天醫(yī)學研究的深入而進行的調(diào)整。航天特殊的環(huán)境對鍛煉方案有著特殊的要求，鍛煉方案的設(shè)計需要考慮許多限制條件并在其中找到一精確的平衡點。這些限制因素包括鍛煉的效果、操作的方便性，個體的依從性和航天器本身對設(shè)備及操作的要求，這些要求共同決定了設(shè)備的重量和尺寸、實施的時間，而且還要求對環(huán)境的干擾最小。目前，ISS上的鍛煉程序的一個最主要問題就是耗時、費力、不舒適，而且效果有限[1]。

5.2 綜合防護措施研究

人體作為一個多生理系統(tǒng)有機整合的一個整體，各生理系統(tǒng)功能有效發(fā)揮有賴于其他系統(tǒng)的協(xié)同配合，使在研究防護措施時必須考慮防護措施對不同生理系統(tǒng)的防護作用，在防護措施應(yīng)用上也要考慮不同防護措施之間的交互作用，對其進行有機的整合，共同全面對抗失重對人體的不良影響，以保持人體在整體功能水平上的高效性[10]。目前的研究來看，還沒有一種措施能夠獨立在太空對抗失重生理效應(yīng)，除非將整個太空艙旋轉(zhuǎn)起來產(chǎn)生持續(xù)的人工重力，但是這會帶來許多難于解決的其他問題。間斷性人工重力雖然實現(xiàn)起來相對容易，但是，研究發(fā)現(xiàn)每日進行幾個小時以上的重力暴露對于時間資源非常緊張的航天員來講顯然也是不實際的，同時間斷性重力暴露對于失重性肌肉萎縮和骨丟失而言，實際效果還未確定。學科交叉、人體生理機能的整合和載人航天資源的昂貴代價決定了在未來失重防護措施的發(fā)展方向是建立以綜合防護為主的失重防護措施體系。令人鼓舞的是已有很多學者將不同的防護方法進行組合，研究組合后的防護效果，如不同鍛煉類型的綜合安排，不同類別防護措施的綜合如物理和體育，營養(yǎng)體育，藥物補充等。其中一些已經(jīng)取得了良好的防護效果，如下體負壓+鍛煉，GH/IGF-1+鍛煉，有氧鍛煉+抗阻力鍛煉，離心+蹲起鍛煉等[4]。

在航天領(lǐng)域，受重量、體積、功耗和上行載荷限制的影響，要求在研究防護措施時必須提前考慮在未來太空中應(yīng)用的可行性。一般而言，體育鍛煉設(shè)備在硬件設(shè)計上需要遵循以下原則：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、可維護性強、對飛船的影響小，同時還需考慮航天員的依從性和鍛煉設(shè)備之間在功能上的可代替性。 ◇

［1］Sawin,C.F.,et al..Considerations for development of countermeasures for physiological decrements associated with long-duration space missions.Acta Astronautica 2007，60（4-7）:488-496.

［2］Kozlovskaya,I.B..Countermeasures for long-term space flights,lessons learned from the Russian space program.J Gravit Physiol,2002.9（1）:313-317.

［3］Kozlovskaya,I.B.and A.I.Grigoriev.Russian system of countermeasures on board of the International Space Station （ISS）:the first results.Acta Astronaut,2004.55（3-9）:233-237.

［4］Buckey,J.C..Space Physiology.2006,New York:Oxford University Press.

［5］Alkner,B.A.and P.A.Tesch,Efficacy of a gravity-independent resistance exercise device as a countermeasure to muscle atrophy during 29-day bed rest.Acta Physiol Scand,2004.181（3）:345-357.

［6］Trappe,S.,et al..Exercise in space:human skeletal muscle after 6 months aboard the International Space Station.J Appl Physiol,2009.106（4）:1159-1168.

［7］Gopalakrishnan,R.,et al..Muscle volume,strength,endurance,and exercise loads during 6-month missions in space.Aviat Space Environ Med,2010.81（2）:91-102.

［8］國際空間站服務(wù)艙醫(yī)學操作手冊BOOK1.2000.

［9］Watenpaugh,D.E.，et al..Lower body negative pressure exercise plus brief postexercise lower body negative pressure improve postbed rest orthostatic tolerance.J Appl Physiol,2007.103（6）:1964-1972.

［10］White,R.J.and M.Averner,Humans in space.Nature,2001.409（6823）:1115-8.