本文來自微信公眾號：探臻科技評論（ID：TWtechreview），作者：徐世威、楊乾坤、羅士超、李芍毅、王紀堯、師迎晨，編輯：宋盛禹、危琨，審核：張可人、牛家赫，原文標題：《“斗破”蒼穹——航天員的新“免疫”系統(tǒng)》，頭圖來自：視覺中國

一、引言

《中國工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略，航天與海洋領域報告》中提到：2035 年，空間探索與利用進入新時代，以新應用服務牽引的新型航天器將陸續(xù)出現(xiàn)，進而全面提升人類進出空間、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月太空任務。同年10月16日，搭載神舟十三號再次順利將翟志剛、王亞平、葉光富3名航天員送入核心艙，此次將開展六個月的長期太空任務。

人類已經(jīng)進化了數(shù)百萬年，充分適應了地球上的生活條件。但如今，人類正在進行長時間的太空任務，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時間。長期的太空生活將給航天員的生理機能以及心理等方面帶來一系列影響，另一方面太空細菌侵害、太空輻射、太空有毒塵埃等有害因素也不能忽略。如何應對復雜多變的太空環(huán)境，保障航天員的生命安全使之安心開展工作將是人類在未來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，航天員便直接面對著來自太空的威脅，包括人類已知的可能的細菌威脅、太空輻射威脅、有毒塵埃，以及更多未知的對于航天員和航天器安全的威脅。

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

圖1.《The Andromeda Strain》“天外來菌”劇照

在遠離地球的太空中，航天員和航天器會減少或失去地球磁場的保護，因此會受到大量宇宙輻射。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，都要大大超過核反應堆附近的人員。一個往返火星的載人航行任務將會使航天員暴露在大量的銀河系宇宙線輻射之下，而這個輻射水平高達臨床建議的輻射致癌極限的四倍。

圖2. 太空輻射

在未來的地外星球登陸過程，有毒塵埃的吸入，是危害航天員生命安全的又一重大問題。如在月球上，這些塵埃會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，增加致癌風險?；鹦堑膲m埃毒性更高，含有的氧化鐵成分會灼傷人的皮膚，腐蝕塑料橡膠等有機化合物，吸入更會導致生命危險。這些塵埃非常細小，因此未來的密封艙和宇航服必須能夠嚴格防止這些塵埃的進入?？茖W家們迄今對地外天體物質研究甚少，因此對這些塵埃的毒性和性質還知道得很少，很可能在不同的星球，這些塵埃會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)運行，航天科技工作者們也需建立起相應的實時監(jiān)控檢測設備和系統(tǒng)，進一步確保航天任務萬無一失。

三、多種保障手段

1. 醫(yī)監(jiān)醫(yī)保

1）航天服裝

航天服分為艙內航天服和艙外航天服，兩種服裝使用場景不同，設計和功能上也有很大差別。艙內宇航服是航天員在載人航天器座艙內穿的，一般在發(fā)射時和返回地球時穿上以備不時之需，如果座艙發(fā)生氣體泄漏、減壓等狀況，艙內宇航服可迅速充氣保護航天員。相對來說，艙內宇航服不需要長時間面對惡劣的太空環(huán)境，造價也比較低，僅數(shù)十萬元。

艙外航天服是航天員出艙活動時穿戴的裝備，其復雜程度和科技含量遠高于艙內航天服，其具備保溫、保壓、防輻射、防撞擊、供氧、通訊、遙測、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，同時還要滿足航天員開展艙外工作的條件，造價高達3000萬人民幣。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、外罩防護層。復雜的面料結構作為航天服的主體框架，同時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、氣液控制臺、氣液組合插座等。

圖4. 艙內/艙外航天服

2）健康監(jiān)測設備

為滿足航天員的常規(guī)醫(yī)監(jiān)需求，為航天員長期飛行中的生理健康狀態(tài)提供全面有效的醫(yī)學監(jiān)督和保障。航天科技人員開發(fā)了多種健康監(jiān)測設備，如監(jiān)測背心、監(jiān)測內衣、監(jiān)測手套、測試盒、測試貼片等多種形式，實現(xiàn)不同的測試功能和測試部位，這些監(jiān)測設備使用光電傳感器、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，通過常規(guī)的接入層、網(wǎng)絡層、業(yè)務層、應用層形成完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)，一方面將監(jiān)測結果向航天員開放，另一方面下傳至地面指揮中心，由地面醫(yī)護人員進行診斷。由于太空里沒有醫(yī)院，航天員們只能在地面工作人員的協(xié)助下開展自救，當然，這有一套完整的在軌醫(yī)學處置程序。

具體來說，無線生理信號檢測裝置實現(xiàn)心電、呼吸、體溫監(jiān)測；睡眠監(jiān)護儀采集睡眠時的生理信號，用于航天員睡眠質量定期評價；12導動態(tài)心電監(jiān)測儀采集常規(guī)心電、運動心電、動態(tài)心電、搶救心電的12導同步心電信號；無創(chuàng)血液動力學監(jiān)護儀實現(xiàn)一導心電和二導脈搏的無創(chuàng)監(jiān)測，協(xié)助完成航天員的脈搏量、心排量、外周血管阻力等各項血液動力學參數(shù)的健康監(jiān)督。

圖5. 反射式光電檢測心率

3）微流控芯片檢測設備

可穿戴健康監(jiān)測設備解決了常規(guī)健康指標醫(yī)監(jiān)需求，但實施生化分析、血液分析等方面的檢測卻十分困難、操作繁瑣，限制了對細胞及人體其他生理指標的研究。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)學的研究要求。

隨著微電子技術和微機電系統(tǒng)技術（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、微儲液器、微電極、微檢測元件、窗口和連接器等功能元件，可以把生物和化學等領域涉及的樣品制備、生物、化學反應和分離檢測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反應過程，并對其產物進行分析，成為能夠獨立完成某些實驗任務的芯片實驗室（Lab-on-a-Chip）。

圖6. 器官芯片之肺部芯片（Lung-on-a-chip）

利用微流控芯片對航天員的血液、尿液以及其他代謝物進行檢測，對其身體健康狀況進行監(jiān)控。另外，這些技術還可為航天員的選拔、訓練、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保系統(tǒng)提供參考依據(jù)。目前，微流控芯片技術已經(jīng)在空間生命科學研究得到初步應用。早在2011年11月，我國“神舟8號”飛船搭載了自主研發(fā)的微流控基因擴增裝置并進行了8種DNA的擴增實驗，使我國成為世界上第三個能夠將微流控技術應用于航天醫(yī)學工程研究的國家。

2. 失重生理效應防護

當進入失重環(huán)境后，人體會發(fā)生一系列生理變化，如果不加以防護措施，甚至會造成不可逆轉的病理性改變，在失重環(huán)境時間越長，這種改變的程度就越強烈。利用套帶、企鵝服、下體負壓筒、自行車功量計、拉力器等多種單機產品，采用綜合防護方法，針對心血管和骨骼肌進行防護，以最大限度維持機體心血管功能和運動能力的下降，延緩肌肉萎縮的進程，維持航天員在軌工作能力，確保航天員的健康。以操作力測量設備為例，它可實現(xiàn)對航天員在軌的指捏力、手握力、推拉力、雙手插拔力、雙手旋轉力矩、單臂/雙臂/手輪旋轉力矩、手部多維力和足部多維力的監(jiān)測，用于評估航天員長期在失重狀態(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. 營養(yǎng)保障

從無人飛行到載人飛行，從一人一天到多人多天，從艙內實驗到太空行走，從太空短期停留到中長期駐留……中國載人航天事業(yè)一次次在浩瀚太空刷新“中國高度”。其中，中醫(yī)藥學對航天員的醫(yī)學保障、健康維護發(fā)揮了很好的效果。從神舟五號的中藥茶，到神舟六號、神舟七號的中藥湯藥干預，再到神舟九號任務之后的“太空養(yǎng)心丸”列裝航天藥箱和神舟十二號的中醫(yī)四診儀，在李勇枝團隊等不懈努力下，中醫(yī)藥已經(jīng)彰顯出在保障航天員心肺功能，改善太空運動病、立位耐力不良，在軌評估預警整體功能狀態(tài)方面的獨有優(yōu)勢和作用。

20世紀90年代以來，隨著載人航天器上食品冷藏設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，排便功能會弱化，食欲會受到影響，而豐富的食物品種會刺激人的食欲，進而增加食物攝入量。此外，航天員在失重環(huán)境里待一陣子，都會出現(xiàn)一種叫“查理·布朗效應”的生理反應，就像得了嚴重感冒，會出現(xiàn)臉紅脖子粗、嗅覺味覺遲鈍等癥狀。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，除了對硬件的更新升級外，科學家重點關注的另一個方面便是航天員的心理健康監(jiān)測與心理保障。

航天員長期在密閉的空間中工作、學習、生活，既要完成對復雜龐大的航天器系統(tǒng)操作、使用、維護，又要面對與地球空間完全不同的太空環(huán)境，除了在執(zhí)行出艙任務時離開空間站外，其余時間均駐留在空間站核心艙中，這種長時間的不確定性，給航天員心理帶來了極大的挑戰(zhàn)，航天員的心理應激、情緒反應、溝通方式等承受了巨大壓力，極易產生焦慮、煩悶、緊張、不安等不良情緒，情況嚴重時甚至會導致“抑郁癥”、“幽閉恐懼癥”等心理疾病，引發(fā)身體機能紊亂，加之空間站距離地球遙遠，心理監(jiān)測較為困難，一些生理心理調節(jié)治療手段無法展開，將會導致心理壓力持續(xù)加大、身體負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行大量的心理訓練與嚴苛的選拔外，目前在軌航天員的心理健康保障主要通過社會心理支持、專業(yè)心理支持和自我心理調適3個方面完成。

1）社會心理支持

對航天員的社會心理支持主要從社會溝通的角度，通過為航天員提供人類在社會生活的社交需求而實現(xiàn)的，在空間站中首先要解決的問題便是長期的隔離與幽閉，長時間處于同一工作生活環(huán)境下，航天員容易失去時間概念，繼而對聲音、食物等缺乏興趣。豐富精神活動成為了航天員執(zhí)行任務中的重要方面，提供社會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，同時在航天器上設計大圓窗，為航天員觀察地球、個人思考，提供良好的平臺。在天和核心艙內，依靠空天信息通信技術，航天員能夠定期與家屬、親友、戰(zhàn)友等熟悉的人進行天地通話，在航天乘組內建立小型的社會關系。

2）專業(yè)心理支持

專業(yè)心理支持主要是從心理監(jiān)測與干預角度，通過地面心理學家、心理醫(yī)生使用專業(yè)心理技術對航天員心理狀態(tài)感知、測評與調節(jié)的手段。專業(yè)心理支持既包括了在軌例行性心理訪談、定期心理測試、查閱航天員公開日志，又包括了使用傳感器評估、基于VR的心理調適系統(tǒng)等。通過心理醫(yī)生一對一的心理結構化訪談，輔助監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，地面指揮中心準確掌握航天員的心理狀態(tài)，評估其認識水平、適應情況、人際協(xié)調、團隊效能、睡眠質量等情況，并進行必要的心理指導與干預。同時，在空間站中利用現(xiàn)代科學技術配備了大量的休閑娛樂措施，除了多樣化的日常運動選擇，航天員們還可以利用休息時間看電影、聽音樂、閱讀書目等，此外，航天員在進入太空前還可以攜帶一定的個人娛樂物品，例如笛子、口琴、玩偶等?；谔摂M現(xiàn)實的心理調適系統(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景、家人、自然風光等，從而達到舒緩身心的目的，加快對太空環(huán)境的適應程度。

3）自我心理調適

自我心理調適主要是從航天員自我啟發(fā)、自我認知、自我緩解的角度，運用科學、高效的心理方法，完成心理問題自主修復，對于航天員在軌執(zhí)行任務不可或缺，是航天員心理調節(jié)的必備技能和保底手段。特別是當航天任務由近地任務轉向星際旅行時，社會心理支持和專業(yè)心理支持將受到通信時差、長距離傳輸?shù)纫蛩赜绊?，自我心理調適將成為主要手段。航天員在地面訓練期間，心理專家將會教會航天員在面對負面心理情緒時，通過合理宣泄、相互催眠、心理暗示、肌肉放松、呼吸訓練、音樂治療、芳香感知等方法，達到放松身心、調節(jié)身體應激反應、緩解緊張浮躁的目的。同時，針對神舟十三號乘組在軌長期飛行的特點，自我心理調適還強調了團隊成員之間彼此磨合、相互心理支持、整合心理訓練等，在地面階段完成團隊震蕩和規(guī)范階段，使航天團隊處于高效穩(wěn)定狀態(tài)進入太空工作。

圖9. “神十二”航天員乘組通過運動放松身心

四、未來展望

在微重力作用下，航天員往往在6個月之內就損失高達50%的肌肉比例，骨骼密度每個月下降1%，基本相當于地球上老年人一年的骨質流失速率。所以，參與長時間太空飛行的航天員們，非常需要得到關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化研究所（TRISH）開展合作，共同開發(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的生物醫(yī)學研究方法，使用AI設計定制的3D光學掃描儀，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。這項研究將利用3D光學掃描以及流體重新分配，監(jiān)測航天員的體能下降風險。這項研究極具創(chuàng)新性，有望真正將長周期太空飛行條件下的航天員健康保護納入科研范疇。此外，相關方法也將適用于癌癥惡病質研究，從而幫助我們了解并預防與癌癥相關的肌肉流失問題，改善癌癥患者的生活質量。

圖10. AI分析3D光學圖像，測量脂肪、肌肉、骨骼等人體構成

外太空是人類未來發(fā)展的深度空間，也是科學技術的制高點。地球太小，資源局促，外太空蘊含著無限可能性。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，點燃人類宇宙探索的烈火。

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