本文來(lái)自微信公眾號(hào)：探臻科技評(píng)論（ID：TWtechreview），作者：徐世威、楊乾坤、羅士超、李芍毅、王紀(jì)堯、師迎晨，編輯：宋盛禹、危琨，審核：張可人、牛家赫，原文標(biāo)題：《“斗破”蒼穹——航天員的新“免疫”系統(tǒng)》，頭圖來(lái)自：視覺(jué)中國(guó)

一、引言

《中國(guó)工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略，航天與海洋領(lǐng)域報(bào)告》中提到：2035 年，空間探索與利用進(jìn)入新時(shí)代，以新應(yīng)用服務(wù)牽引的新型航天器將陸續(xù)出現(xiàn)，進(jìn)而全面提升人類進(jìn)出空間、利用空間、探索空間的能力。2021年9月15日，航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波順利完成三個(gè)月太空任務(wù)。同年10月16日，搭載神舟十三號(hào)再次順利將翟志剛、王亞平、葉光富3名航天員送入核心艙，此次將開(kāi)展六個(gè)月的長(zhǎng)期太空任務(wù)。

人類已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬(wàn)年，充分適應(yīng)了地球上的生活條件。但如今，人類正在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的太空任務(wù)，這也使得航天員需要在太空的極端發(fā)展環(huán)境中居住和生活更長(zhǎng)時(shí)間。長(zhǎng)期的太空生活將給航天員的生理機(jī)能以及心理等方面帶來(lái)一系列影響，另一方面太空細(xì)菌侵害、太空輻射、太空有毒塵埃等有害因素也不能忽略。如何應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的太空環(huán)境，保障航天員的生命安全使之安心開(kāi)展工作將是人類在未來(lái)航天工程中面臨的重大課題。

二、太空的威脅

失去地球大氣層的保護(hù)，航天員便直接面對(duì)著來(lái)自太空的威脅，包括人類已知的可能的細(xì)菌威脅、太空輻射威脅、有毒塵埃，以及更多未知的對(duì)于航天員和航天器安全的威脅。

人體自身攜帶著數(shù)百種細(xì)菌，太空站等航天器里也不可能完全清除掉細(xì)菌。在太空特殊環(huán)境中，細(xì)菌也可以生存和生長(zhǎng)，同時(shí)受到宇宙中輻照作用的細(xì)菌也會(huì)發(fā)生不可控的變異，導(dǎo)致對(duì)航天員們的侵害。人類幾十年航天經(jīng)驗(yàn)表明，太空中的有害細(xì)菌可能導(dǎo)致牙齒感染、結(jié)膜炎、急性呼吸系統(tǒng)等疾病，因而給航天員們準(zhǔn)備的抗生素等藥物需要達(dá)到更高的濃度，但即便這樣，也難以達(dá)到與地球上相同的治療效果。

圖1.《The Andromeda Strain》“天外來(lái)菌”劇照

在遠(yuǎn)離地球的太空中，航天員和航天器會(huì)減少或失去地球磁場(chǎng)的保護(hù)，因此會(huì)受到大量宇宙輻射。研究證明，即便在低地球軌道工作的航天員受到的累積輻射量，都要大大超過(guò)核反應(yīng)堆附近的人員。一個(gè)往返火星的載人航行任務(wù)將會(huì)使航天員暴露在大量的銀河系宇宙線輻射之下，而這個(gè)輻射水平高達(dá)臨床建議的輻射致癌極限的四倍。

圖2. 太空輻射

在未來(lái)的地外星球登陸過(guò)程，有毒塵埃的吸入，是危害航天員生命安全的又一重大問(wèn)題。如在月球上，這些塵埃會(huì)損害航天員的皮膚和眼睛，如被吸入，也可能像石棉纖維一樣的損害肺部，增加致癌風(fēng)險(xiǎn)。火星的塵埃毒性更高，含有的氧化鐵成分會(huì)灼傷人的皮膚，腐蝕塑料橡膠等有機(jī)化合物，吸入更會(huì)導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。這些塵埃非常細(xì)小，因此未來(lái)的密封艙和宇航服必須能夠嚴(yán)格防止這些塵埃的進(jìn)入。科學(xué)家們迄今對(duì)地外天體物質(zhì)研究甚少，因此對(duì)這些塵埃的毒性和性質(zhì)還知道得很少，很可能在不同的星球，這些塵埃會(huì)或許還有很多未知毒性，有待破解和防范。

圖3. 太空有毒塵埃

為了更好保障航天員的人身安全、保證航天器的平穩(wěn)運(yùn)行，航天科技工作者們也需建立起相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)，進(jìn)一步確保航天任務(wù)萬(wàn)無(wú)一失。

三、多種保障手段

1. 醫(yī)監(jiān)醫(yī)保

1）航天服裝

航天服分為艙內(nèi)航天服和艙外航天服，兩種服裝使用場(chǎng)景不同，設(shè)計(jì)和功能上也有很大差別。艙內(nèi)宇航服是航天員在載人航天器座艙內(nèi)穿的，一般在發(fā)射時(shí)和返回地球時(shí)穿上以備不時(shí)之需，如果座艙發(fā)生氣體泄漏、減壓等狀況，艙內(nèi)宇航服可迅速充氣保護(hù)航天員。相對(duì)來(lái)說(shuō)，艙內(nèi)宇航服不需要長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)惡劣的太空環(huán)境，造價(jià)也比較低，僅數(shù)十萬(wàn)元。

艙外航天服是航天員出艙活動(dòng)時(shí)穿戴的裝備，其復(fù)雜程度和科技含量遠(yuǎn)高于艙內(nèi)航天服，其具備保溫、保壓、防輻射、防撞擊、供氧、通訊、遙測(cè)、救援等功能，保證航天員在太空環(huán)境中的生命安全，維持航天員生理體征正常，同時(shí)還要滿足航天員開(kāi)展艙外工作的條件，造價(jià)高達(dá)3000萬(wàn)人民幣。航天服材料分為六層，分別是散溫層、氣密層、限制層、液冷層、隔熱層、外罩防護(hù)層。復(fù)雜的面料結(jié)構(gòu)作為航天服的主體框架，同時(shí)搭載眾多功能性的部件和系統(tǒng)形成完整的“航天戰(zhàn)甲”：顯示和控制模塊、上軀干組件、下軀干組件、通信頭戴、頭盔，以及電臍帶、電控臺(tái)、氣液控制臺(tái)、氣液組合插座等。

圖4. 艙內(nèi)/艙外航天服

2）健康監(jiān)測(cè)設(shè)備

為滿足航天員的常規(guī)醫(yī)監(jiān)需求，為航天員長(zhǎng)期飛行中的生理健康狀態(tài)提供全面有效的醫(yī)學(xué)監(jiān)督和保障。航天科技人員開(kāi)發(fā)了多種健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，如監(jiān)測(cè)背心、監(jiān)測(cè)內(nèi)衣、監(jiān)測(cè)手套、測(cè)試盒、測(cè)試貼片等多種形式，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試功能和測(cè)試部位，這些監(jiān)測(cè)設(shè)備使用光電傳感器、加速度傳感器、陀螺儀、壓電傳感器、溫度傳感器、超聲傳感器、阻抗傳感等作為感知層，通過(guò)常規(guī)的接入層、網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層形成完整的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一方面將監(jiān)測(cè)結(jié)果向航天員開(kāi)放，另一方面下傳至地面指揮中心，由地面醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行診斷。由于太空里沒(méi)有醫(yī)院，航天員們只能在地面工作人員的協(xié)助下開(kāi)展自救，當(dāng)然，這有一套完整的在軌醫(yī)學(xué)處置程序。

具體來(lái)說(shuō)，無(wú)線生理信號(hào)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)心電、呼吸、體溫監(jiān)測(cè)；睡眠監(jiān)護(hù)儀采集睡眠時(shí)的生理信號(hào)，用于航天員睡眠質(zhì)量定期評(píng)價(jià)；12導(dǎo)動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)儀采集常規(guī)心電、運(yùn)動(dòng)心電、動(dòng)態(tài)心電、搶救心電的12導(dǎo)同步心電信號(hào)；無(wú)創(chuàng)血液動(dòng)力學(xué)監(jiān)護(hù)儀實(shí)現(xiàn)一導(dǎo)心電和二導(dǎo)脈搏的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，協(xié)助完成航天員的脈搏量、心排量、外周血管阻力等各項(xiàng)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的健康監(jiān)督。

圖5. 反射式光電檢測(cè)心率

3）微流控芯片檢測(cè)設(shè)備

可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備解決了常規(guī)健康指標(biāo)醫(yī)監(jiān)需求，但實(shí)施生化分析、血液分析等方面的檢測(cè)卻十分困難、操作繁瑣，限制了對(duì)細(xì)胞及人體其他生理指標(biāo)的研究。微流控芯片體積小，所需樣品試劑量小，低功耗，易操作，恰好符合航天醫(yī)學(xué)的研究要求。

隨著微電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）的發(fā)展，目前已經(jīng)能夠在微芯片上加工出各種微管道、微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測(cè)元件、窗口和連接器等功能元件，可以把生物和化學(xué)等領(lǐng)域涉及的樣品制備、生物、化學(xué)反應(yīng)和分離檢測(cè)等基本操作單元集成于幾平方厘米大的微流控芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析，成為能夠獨(dú)立完成某些實(shí)驗(yàn)任務(wù)的芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip）。

圖6. 器官芯片之肺部芯片（Lung-on-a-chip）

利用微流控芯片對(duì)航天員的血液、尿液以及其他代謝物進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其身體健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。另外，這些技術(shù)還可為航天員的選拔、訓(xùn)練、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保系統(tǒng)提供參考依據(jù)。目前，微流控芯片技術(shù)已經(jīng)在空間生命科學(xué)研究得到初步應(yīng)用。早在2011年11月，我國(guó)“神舟8號(hào)”飛船搭載了自主研發(fā)的微流控基因擴(kuò)增裝置并進(jìn)行了8種DNA的擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)能夠?qū)⑽⒘骺丶夹g(shù)應(yīng)用于航天醫(yī)學(xué)工程研究的國(guó)家。

2. 失重生理效應(yīng)防護(hù)

當(dāng)進(jìn)入失重環(huán)境后，人體會(huì)發(fā)生一系列生理變化，如果不加以防護(hù)措施，甚至?xí)斐刹豢赡孓D(zhuǎn)的病理性改變，在失重環(huán)境時(shí)間越長(zhǎng)，這種改變的程度就越強(qiáng)烈。利用套帶、企鵝服、下體負(fù)壓筒、自行車功量計(jì)、拉力器等多種單機(jī)產(chǎn)品，采用綜合防護(hù)方法，針對(duì)心血管和骨骼肌進(jìn)行防護(hù)，以最大限度維持機(jī)體心血管功能和運(yùn)動(dòng)能力的下降，延緩肌肉萎縮的進(jìn)程，維持航天員在軌工作能力，確保航天員的健康。以操作力測(cè)量設(shè)備為例，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)航天員在軌的指捏力、手握力、推拉力、雙手插拔力、雙手旋轉(zhuǎn)力矩、單臂/雙臂/手輪旋轉(zhuǎn)力矩、手部多維力和足部多維力的監(jiān)測(cè)，用于評(píng)估航天員長(zhǎng)期在失重狀態(tài)下的身體性能變化情況。

圖7. 航天員失重環(huán)境出艙操作

3. 營(yíng)養(yǎng)保障

從無(wú)人飛行到載人飛行，從一人一天到多人多天，從艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)到太空行走，從太空短期停留到中長(zhǎng)期駐留……中國(guó)載人航天事業(yè)一次次在浩瀚太空刷新“中國(guó)高度”。其中，中醫(yī)藥學(xué)對(duì)航天員的醫(yī)學(xué)保障、健康維護(hù)發(fā)揮了很好的效果。從神舟五號(hào)的中藥茶，到神舟六號(hào)、神舟七號(hào)的中藥湯藥干預(yù)，再到神舟九號(hào)任務(wù)之后的“太空養(yǎng)心丸”列裝航天藥箱和神舟十二號(hào)的中醫(yī)四診儀，在李勇枝團(tuán)隊(duì)等不懈努力下，中醫(yī)藥已經(jīng)彰顯出在保障航天員心肺功能，改善太空運(yùn)動(dòng)病、立位耐力不良，在軌評(píng)估預(yù)警整體功能狀態(tài)方面的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)和作用。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著載人航天器上食品冷藏設(shè)備和加熱裝置的飛速發(fā)展，航天食品的類型和品種已接近地面膳食。航天員在失重的狀態(tài)下，排便功能會(huì)弱化，食欲會(huì)受到影響，而豐富的食物品種會(huì)刺激人的食欲，進(jìn)而增加食物攝入量。此外，航天員在失重環(huán)境里待一陣子，都會(huì)出現(xiàn)一種叫“查理·布朗效應(yīng)”的生理反應(yīng)，就像得了嚴(yán)重感冒，會(huì)出現(xiàn)臉紅脖子粗、嗅覺(jué)味覺(jué)遲鈍等癥狀。為了增加航天員的口感和食欲，需要在航天食品里添加更多辛辣、麻辣的猛料，如川味辣醬、叉燒醬、海鮮醬。

圖8. 豐富的航天食物

4. 心理保障

在人類載人航天發(fā)展的歷程中，除了對(duì)硬件的更新升級(jí)外，科學(xué)家重點(diǎn)關(guān)注的另一個(gè)方面便是航天員的心理健康監(jiān)測(cè)與心理保障。

航天員長(zhǎng)期在密閉的空間中工作、學(xué)習(xí)、生活，既要完成對(duì)復(fù)雜龐大的航天器系統(tǒng)操作、使用、維護(hù)，又要面對(duì)與地球空間完全不同的太空環(huán)境，除了在執(zhí)行出艙任務(wù)時(shí)離開(kāi)空間站外，其余時(shí)間均駐留在空間站核心艙中，這種長(zhǎng)時(shí)間的不確定性，給航天員心理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，航天員的心理應(yīng)激、情緒反應(yīng)、溝通方式等承受了巨大壓力，極易產(chǎn)生焦慮、煩悶、緊張、不安等不良情緒，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致“抑郁癥”、“幽閉恐懼癥”等心理疾病，引發(fā)身體機(jī)能紊亂，加之空間站距離地球遙遠(yuǎn)，心理監(jiān)測(cè)較為困難，一些生理心理調(diào)節(jié)治療手段無(wú)法展開(kāi)，將會(huì)導(dǎo)致心理壓力持續(xù)加大、身體負(fù)面癥狀加劇的惡性循環(huán)。除了在確定航天員人選階段需要進(jìn)行大量的心理訓(xùn)練與嚴(yán)苛的選拔外，目前在軌航天員的心理健康保障主要通過(guò)社會(huì)心理支持、專業(yè)心理支持和自我心理調(diào)適3個(gè)方面完成。

1）社會(huì)心理支持

對(duì)航天員的社會(huì)心理支持主要從社會(huì)溝通的角度，通過(guò)為航天員提供人類在社會(huì)生活的社交需求而實(shí)現(xiàn)的，在空間站中首先要解決的問(wèn)題便是長(zhǎng)期的隔離與幽閉，長(zhǎng)時(shí)間處于同一工作生活環(huán)境下，航天員容易失去時(shí)間概念，繼而對(duì)聲音、食物等缺乏興趣。豐富精神活動(dòng)成為了航天員執(zhí)行任務(wù)中的重要方面，提供社會(huì)心理支持主要包括航天員與家人視頻通話、定期收看電視節(jié)目、參加節(jié)日生日慶祝等，同時(shí)在航天器上設(shè)計(jì)大圓窗，為航天員觀察地球、個(gè)人思考，提供良好的平臺(tái)。在天和核心艙內(nèi)，依靠空天信息通信技術(shù)，航天員能夠定期與家屬、親友、戰(zhàn)友等熟悉的人進(jìn)行天地通話，在航天乘組內(nèi)建立小型的社會(huì)關(guān)系。

2）專業(yè)心理支持

專業(yè)心理支持主要是從心理監(jiān)測(cè)與干預(yù)角度，通過(guò)地面心理學(xué)家、心理醫(yī)生使用專業(yè)心理技術(shù)對(duì)航天員心理狀態(tài)感知、測(cè)評(píng)與調(diào)節(jié)的手段。專業(yè)心理支持既包括了在軌例行性心理訪談、定期心理測(cè)試、查閱航天員公開(kāi)日志，又包括了使用傳感器評(píng)估、基于VR的心理調(diào)適系統(tǒng)等。通過(guò)心理醫(yī)生一對(duì)一的心理結(jié)構(gòu)化訪談，輔助監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，地面指揮中心準(zhǔn)確掌握航天員的心理狀態(tài)，評(píng)估其認(rèn)識(shí)水平、適應(yīng)情況、人際協(xié)調(diào)、團(tuán)隊(duì)效能、睡眠質(zhì)量等情況，并進(jìn)行必要的心理指導(dǎo)與干預(yù)。同時(shí)，在空間站中利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)配備了大量的休閑娛樂(lè)措施，除了多樣化的日常運(yùn)動(dòng)選擇，航天員們還可以利用休息時(shí)間看電影、聽(tīng)音樂(lè)、閱讀書(shū)目等，此外，航天員在進(jìn)入太空前還可以攜帶一定的個(gè)人娛樂(lè)物品，例如笛子、口琴、玩偶等?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的心理調(diào)適系統(tǒng)同樣為航天員提供了專業(yè)化的心理支持，他們利用該系統(tǒng)可以真切地感受到與地球相同的生活場(chǎng)景、家人、自然風(fēng)光等，從而達(dá)到舒緩身心的目的，加快對(duì)太空環(huán)境的適應(yīng)程度。

3）自我心理調(diào)適

自我心理調(diào)適主要是從航天員自我啟發(fā)、自我認(rèn)知、自我緩解的角度，運(yùn)用科學(xué)、高效的心理方法，完成心理問(wèn)題自主修復(fù)，對(duì)于航天員在軌執(zhí)行任務(wù)不可或缺，是航天員心理調(diào)節(jié)的必備技能和保底手段。特別是當(dāng)航天任務(wù)由近地任務(wù)轉(zhuǎn)向星際旅行時(shí)，社會(huì)心理支持和專業(yè)心理支持將受到通信時(shí)差、長(zhǎng)距離傳輸?shù)纫蛩赜绊?，自我心理調(diào)適將成為主要手段。航天員在地面訓(xùn)練期間，心理專家將會(huì)教會(huì)航天員在面對(duì)負(fù)面心理情緒時(shí)，通過(guò)合理宣泄、相互催眠、心理暗示、肌肉放松、呼吸訓(xùn)練、音樂(lè)治療、芳香感知等方法，達(dá)到放松身心、調(diào)節(jié)身體應(yīng)激反應(yīng)、緩解緊張浮躁的目的。同時(shí)，針對(duì)神舟十三號(hào)乘組在軌長(zhǎng)期飛行的特點(diǎn)，自我心理調(diào)適還強(qiáng)調(diào)了團(tuán)隊(duì)成員之間彼此磨合、相互心理支持、整合心理訓(xùn)練等，在地面階段完成團(tuán)隊(duì)震蕩和規(guī)范階段，使航天團(tuán)隊(duì)處于高效穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入太空工作。

圖9. “神十二”航天員乘組通過(guò)運(yùn)動(dòng)放松身心

四、未來(lái)展望

在微重力作用下，航天員往往在6個(gè)月之內(nèi)就損失高達(dá)50%的肌肉比例，骨骼密度每個(gè)月下降1%，基本相當(dāng)于地球上老年人一年的骨質(zhì)流失速率。所以，參與長(zhǎng)時(shí)間太空飛行的航天員們，非常需要得到關(guān)于其肌肉量與骨骼量的直接反饋。

NASA目前正在與太空健康轉(zhuǎn)化研究所（TRISH）開(kāi)展合作，共同開(kāi)發(fā)創(chuàng)新方法以保證人體在太空中的健康狀態(tài)。該聯(lián)盟正在利用一系列最先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)研究方法，使用AI設(shè)計(jì)定制的3D光學(xué)掃描儀，配合“模擬環(huán)境到太空環(huán)境”模型，希望幫助航天員找到可持續(xù)的太空生存之道。這項(xiàng)研究將利用3D光學(xué)掃描以及流體重新分配，監(jiān)測(cè)航天員的體能下降風(fēng)險(xiǎn)。這項(xiàng)研究極具創(chuàng)新性，有望真正將長(zhǎng)周期太空飛行條件下的航天員健康保護(hù)納入科研范疇。此外，相關(guān)方法也將適用于癌癥惡病質(zhì)研究，從而幫助我們了解并預(yù)防與癌癥相關(guān)的肌肉流失問(wèn)題，改善癌癥患者的生活質(zhì)量。

圖10. AI分析3D光學(xué)圖像，測(cè)量脂肪、肌肉、骨骼等人體構(gòu)成

外太空是人類未來(lái)發(fā)展的深度空間，也是科學(xué)技術(shù)的制高點(diǎn)。地球太小，資源局促，外太空蘊(yùn)含著無(wú)限可能性。作為航天事業(yè)發(fā)展的核心要素之一，航天員的健康保障是未來(lái)人類邁向宇宙并移民太空的重中之重。航天員的一小步，人類的一大步，點(diǎn)燃人類宇宙探索的烈火。

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[12]《AI如何監(jiān)測(cè)航天員在太空中的健康狀態(tài)》，科技行者，2019-12-25：https://mp.weixin.qq.com/s/PmTUwmrtjC5CFyA_pwh-kA.

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：探臻科技評(píng)論（ID：TWtechreview），作者：徐世威、楊乾坤、羅士超、李芍毅、王紀(jì)堯、師迎晨

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