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一、引言

《中国工程科技2035发展战略,航天与海洋领域报告》中提到:2035 年,空间探索与利用进入新时代,以新应用服务牵引的新型航天器将陆续出现,进而全面提升人类进出空间、利用空间、探索空间的能力。2021年9月15日,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波顺利完成三个月太空任务。同年10月16日,搭载神舟十三号再次顺利将翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员送入核心舱,此次将开展六个月的长期太空任务。

人类已经进化了数百万年,充分适应了地球上的生活条件。但如今,人类正在进行长时间的太空任务,这也使得航天员需要在太空的极端发展环境中居住和生活更长时间。长期的太空生活将给航天员的生理机能以及心理等方面带来一系列影响,另一方面太空细菌侵害、太空辐射、太空有毒尘埃等有害因素也不能忽略。如何应对复杂多变的太空环境,保障航天员的生命安全使之安心开展工作将是人类在未来航天工程中面临的重大课题。

二、太空的威胁

失去地球大气层的保护,航天员便直接面对着来自太空的威胁,包括人类已知的可能的细菌威胁、太空辐射威胁、有毒尘埃,以及更多未知的对于航天员和航天器安全的威胁。

人体自身携带着数百种细菌,太空站等航天器里也不可能完全清除掉细菌。在太空特殊环境中,细菌也可以生存和生长,同时受到宇宙中辐照作用的细菌也会发生不可控的变异,导致对航天员们的侵害。人类几十年航天经验表明,太空中的有害细菌可能导致牙齿感染、结膜炎、急性呼吸系统等疾病,因而给航天员们准备的抗生素等药物需要达到更高的浓度,但即便这样,也难以达到与地球上相同的治疗效果。

图1.《The Andromeda Strain》“天外来菌”剧照

在远离地球的太空中,航天员和航天器会减少或失去地球磁场的保护,因此会受到大量宇宙辐射。研究证明,即便在低地球轨道工作的航天员受到的累积辐射量,都要大大超过核反应堆附近的人员。一个往返火星的载人航行任务将会使航天员暴露在大量的银河系宇宙线辐射之下,而这个辐射水平高达临床建议的辐射致癌极限的四倍。

图2. 太空辐射

在未来的地外星球登陆过程,有毒尘埃的吸入,是危害航天员生命安全的又一重大问题。如在月球上,这些尘埃会损害航天员的皮肤和眼睛,如被吸入,也可能像石棉纤维一样的损害肺部,增加致癌风险。火星的尘埃毒性更高,含有的氧化铁成分会灼伤人的皮肤,腐蚀塑料橡胶等有机化合物,吸入更会导致生命危险。这些尘埃非常细小,因此未来的密封舱和宇航服必须能够严格防止这些尘埃的进入。科学家们迄今对地外天体物质研究甚少,因此对这些尘埃的毒性和性质还知道得很少,很可能在不同的星球,这些尘埃会或许还有很多未知毒性,有待破解和防范。

图3. 太空有毒尘埃

为了更好保障航天员的人身安全、保证航天器的平稳运行,航天科技工作者们也需建立起相应的实时监控检测设备和系统,进一步确保航天任务万无一失。

三、多种保障手段

1. 医监医保

1)航天服装

航天服分为舱内航天服和舱外航天服,两种服装使用场景不同,设计和功能上也有很大差别。舱内宇航服是航天员在载人航天器座舱内穿的,一般在发射时和返回地球时穿上以备不时之需,如果座舱发生气体泄漏、减压等状况,舱内宇航服可迅速充气保护航天员。相对来说,舱内宇航服不需要长时间面对恶劣的太空环境,造价也比较低,仅数十万元。

舱外航天服是航天员出舱活动时穿戴的装备,其复杂程度和科技含量远高于舱内航天服,其具备保温、保压、防辐射、防撞击、供氧、通讯、遥测、救援等功能,保证航天员在太空环境中的生命安全,维持航天员生理体征正常,同时还要满足航天员开展舱外工作的条件,造价高达3000万人民币。航天服材料分为六层,分别是散温层、气密层、限制层、液冷层、隔热层、外罩防护层。复杂的面料结构作为航天服的主体框架,同时搭载众多功能性的部件和系统形成完整的“航天战甲”:显示和控制模块、上躯干组件、下躯干组件、通信头戴、头盔,以及电脐带、电控台、气液控制台、气液组合插座等。

图4. 舱内/舱外航天服

2)健康监测设备

为满足航天员的常规医监需求,为航天员长期飞行中的生理健康状态提供全面有效的医学监督和保障。航天科技人员开发了多种健康监测设备,如监测背心、监测内衣、监测手套、测试盒、测试贴片等多种形式,实现不同的测试功能和测试部位,这些监测设备使用光电传感器、加速度传感器、陀螺仪、压电传感器、温度传感器、超声传感器、阻抗传感等作为感知层,通过常规的接入层、网络层、业务层、应用层形成完整的健康监测系统,一方面将监测结果向航天员开放,另一方面下传至地面指挥中心,由地面医护人员进行诊断。由于太空里没有医院,航天员们只能在地面工作人员的协助下开展自救,当然,这有一套完整的在轨医学处置程序。

具体来说,无线生理信号检测装置实现心电、呼吸、体温监测;睡眠监护仪采集睡眠时的生理信号,用于航天员睡眠质量定期评价;12导动态心电监测仪采集常规心电、运动心电、动态心电、抢救心电的12导同步心电信号;无创血液动力学监护仪实现一导心电和二导脉搏的无创监测,协助完成航天员的脉搏量、心排量、外周血管阻力等各项血液动力学参数的健康监督。

图5. 反射式光电检测心率

3)微流控芯片检测设备

可穿戴健康监测设备解决了常规健康指标医监需求,但实施生化分析、血液分析等方面的检测却十分困难、操作繁琐,限制了对细胞及人体其他生理指标的研究。微流控芯片体积小,所需样品试剂量小,低功耗,易操作,恰好符合航天医学的研究要求。

随着微电子技术和微机电系统技术的发展,目前已经能够在微芯片上加工出各种微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元件,可以把生物和化学等领域涉及的样品制备、生物、化学反应和分离检测等基本操作单元集成于几平方厘米大的微流控芯片上,用以完成不同的生物或化学反应过程,并对其产物进行分析,成为能够独立完成某些实验任务的芯片实验室。

图6. 器官芯片之肺部芯片(Lung-on-a-chip)

利用微流控芯片对航天员的血液、尿液以及其他代谢物进行检测,对其身体健康状况进行监控。另外,这些技术还可为航天员的选拔、训练、医监医保系统提供参考依据。目前,微流控芯片技术已经在空间生命科学研究得到初步应用。早在2011年11月,我国“神舟8号”飞船搭载了自主研发的微流控基因扩增装置并进行了8种DNA的扩增实验,使我国成为世界上第三个能够将微流控技术应用于航天医学工程研究的国家。

2. 失重生理效应防护

当进入失重环境后,人体会发生一系列生理变化,如果不加以防护措施,甚至会造成不可逆转的病理性改变,在失重环境时间越长,这种改变的程度就越强烈。利用套带、企鹅服、下体负压筒、自行车功量计、拉力器等多种单机产品,采用综合防护方法,针对心血管和骨骼肌进行防护,以最大限度维持机体心血管功能和运动能力的下降,延缓肌肉萎缩的进程,维持航天员在轨工作能力,确保航天员的健康。以操作力测量设备为例,它可实现对航天员在轨的指捏力、手握力、推拉力、双手插拔力、双手旋转力矩、单臂/双臂/手轮旋转力矩、手部多维力和足部多维力的监测,用于评估航天员长期在失重状态下的身体性能变化情况。

图7. 航天员失重环境出舱操作

3. 营养保障

从无人飞行到载人飞行,从一人一天到多人多天,从舱内实验到太空行走,从太空短期停留到中长期驻留……中国载人航天事业一次次在浩瀚太空刷新“中国高度”。其中,中医药学对航天员的医学保障、健康维护发挥了很好的效果。从神舟五号的中药茶,到神舟六号、神舟七号的中药汤药干预,再到神舟九号任务之后的“太空养心丸”列装航天药箱和神舟十二号的中医四诊仪,在李勇枝团队等不懈努力下,中医药已经彰显出在保障航天员心肺功能,改善太空运动病、立位耐力不良,在轨评估预警整体功能状态方面的独有优势和作用。

20世纪90年代以来,随着载人航天器上食品冷藏设备和加热装置的飞速发展,航天食品的类型和品种已接近地面膳食。航天员在失重的状态下,排便功能会弱化,食欲会受到影响,而丰富的食物品种会刺激人的食欲,进而增加食物摄入量。此外,航天员在失重环境里待一阵子,都会出现一种叫“查理·布朗效应”的生理反应,就像得了严重感冒,会出现脸红脖子粗、嗅觉味觉迟钝等症状。为了增加航天员的口感和食欲,需要在航天食品里添加更多辛辣、麻辣的猛料,如川味辣酱、叉烧酱、海鲜酱。

图8. 丰富的航天食物

4. 心理保障

在人类载人航天发展的历程中,除了对硬件的更新升级外,科学家重点关注的另一个方面便是航天员的心理健康监测与心理保障。

航天员长期在密闭的空间中工作、学习、生活,既要完成对复杂庞大的航天器系统操作、使用、维护,又要面对与地球空间完全不同的太空环境,除了在执行出舱任务时离开空间站外,其余时间均驻留在空间站核心舱中,这种长时间的不确定性,给航天员心理带来了极大的挑战,航天员的心理应激、情绪反应、沟通方式等承受了巨大压力,极易产生焦虑、烦闷、紧张、不安等不良情绪,情况严重时甚至会导致“抑郁症”、“幽闭恐惧症”等心理疾病,引发身体机能紊乱,加之空间站距离地球遥远,心理监测较为困难,一些生理心理调节治疗手段无法展开,将会导致心理压力持续加大、身体负面症状加剧的恶性循环。除了在确定航天员人选阶段需要进行大量的心理训练与严苛的选拔外,目前在轨航天员的心理健康保障主要通过社会心理支持、专业心理支持和自我心理调适3个方面完成。

1)社会心理支持

对航天员的社会心理支持主要从社会沟通的角度,通过为航天员提供人类在社会生活的社交需求而实现的,在空间站中首先要解决的问题便是长期的隔离与幽闭,长时间处于同一工作生活环境下,航天员容易失去时间概念,继而对声音、食物等缺乏兴趣。丰富精神活动成为了航天员执行任务中的重要方面,提供社会心理支持主要包括航天员与家人视频通话、定期收看电视节目、参加节日生日庆祝等,同时在航天器上设计大圆窗,为航天员观察地球、个人思考,提供良好的平台。在天和核心舱内,依靠空天信息通信技术,航天员能够定期与家属、亲友、战友等熟悉的人进行天地通话,在航天乘组内建立小型的社会关系。

2)专业心理支持

专业心理支持主要是从心理监测与干预角度,通过地面心理学家、心理医生使用专业心理技术对航天员心理状态感知、测评与调节的手段。专业心理支持既包括了在轨例行性心理访谈、定期心理测试、查阅航天员公开日志,又包括了使用传感器评估、基于VR的心理调适系统等。通过心理医生一对一的心理结构化访谈,辅助监测传感器数据,地面指挥中心准确掌握航天员的心理状态,评估其认识水平、适应情况、人际协调、团队效能、睡眠质量等情况,并进行必要的心理指导与干预。同时,在空间站中利用现代科学技术配备了大量的休闲娱乐措施,除了多样化的日常运动选择,航天员们还可以利用休息时间看电影、听音乐、阅读书目等,此外,航天员在进入太空前还可以携带一定的个人娱乐物品,例如笛子、口琴、玩偶等。基于虚拟现实的心理调适系统同样为航天员提供了专业化的心理支持,他们利用该系统可以真切地感受到与地球相同的生活场景、家人、自然风光等,从而达到舒缓身心的目的,加快对太空环境的适应程度。

3)自我心理调适

自我心理调适主要是从航天员自我启发、自我认知、自我缓解的角度,运用科学、高效的心理方法,完成心理问题自主修复,对于航天员在轨执行任务不可或缺,是航天员心理调节的必备技能和保底手段。特别是当航天任务由近地任务转向星际旅行时,社会心理支持和专业心理支持将受到通信时差、长距离传输等因素影响,自我心理调适将成为主要手段。航天员在地面训练期间,心理专家将会教会航天员在面对负面心理情绪时,通过合理宣泄、相互催眠、心理暗示、肌肉放松、呼吸训练、音乐治疗、芳香感知等方法,达到放松身心、调节身体应激反应、缓解紧张浮躁的目的。同时,针对神舟十三号乘组在轨长期飞行的特点,自我心理调适还强调了团队成员之间彼此磨合、相互心理支持、整合心理训练等,在地面阶段完成团队震荡和规范阶段,使航天团队处于高效稳定状态进入太空工作。

图9. “神十二”航天员乘组通过运动放松身心

四、未来展望

在微重力作用下,航天员往往在6个月之内就损失高达50%的肌肉比例,骨骼密度每个月下降1%,基本相当于地球上老年人一年的骨质流失速率。所以,参与长时间太空飞行的航天员们,非常需要得到关于其肌肉量与骨骼量的直接反馈。

NASA目前正在与太空健康转化研究所开展合作,共同开发创新方法以保证人体在太空中的健康状态。该联盟正在利用一系列最先进的生物医学研究方法,使用AI设计定制的3D光学扫描仪,配合“模拟环境到太空环境”模型,希望帮助航天员找到可持续的太空生存之道。这项研究将利用3D光学扫描以及流体重新分配,监测航天员的体能下降风险。这项研究极具创新性,有望真正将长周期太空飞行条件下的航天员健康保护纳入科研范畴。此外,相关方法也将适用于癌症恶病质研究,从而帮助我们了解并预防与癌症相关的肌肉流失问题,改善癌症患者的生活质量。

图10. AI分析3D光学图像,测量脂肪、肌肉、骨骼等人体构成

外太空是人类未来发展的深度空间,也是科学技术的制高点。地球太小,资源局促,外太空蕴含着无限可能性。作为航天事业发展的核心要素之一,航天员的健康保障是未来人类迈向宇宙并移民太空的重中之重。航天员的一小步,人类的一大步,点燃人类宇宙探索的烈火。