[论文解读] Space Physiology and Technology: Musculoskeletal Adaptations, Countermeasures, and Opportunities for Wearable Systems

Shamas U.E. Khan, Rejin John Varghese+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2024

Spaceflight effects on biologyMedicine被引用 3

一句话总结

本文综述了微重力环境下骨骼肌系统的适应性变化，重点讨论了宇航员的骨量流失和肌肉萎缩问题，并提出可穿戴机器人系统——尤其是外骨骼和肌电外衣——作为下一代防护措施。通过整合实时传感、自适应控制和个性化支持，这些技术为传统运动方案提供了动态替代方案，在太空及地面医疗领域均具应用潜力。

ABSTRACT

Space poses significant challenges for humans, leading to physiological adaptations in response to an environment vastly different from Earth. A comprehensive understanding of these physiological adaptations is needed to devise effective countermeasures to support human life in space. This narrative review first focuses on the impact of the environment in space on the musculoskeletal system. It highlights the complex interplay between bone and muscle adaptations and their implications on astronaut health. Despite advances in current countermeasures, such as resistive exercise and pharmacological interventions, they remain partially effective, bulky, and resource-intensive, posing challenges for future missions aboard compact spacecraft. This review proposes wearable sensing and robotic technology as a promising alternative to overcome these limitations. Wearable systems, such as sensor-integrated suits and (soft) exoskeletons, can provide real-time monitoring, dynamic loading, and exercise protocols tailored to individual needs. These systems are lightweight, modular, and capable of operating in confined environments, making them ideal for long-duration missions. In addition to space applications, wearable technologies hold significant promise for terrestrial uses, supporting rehabilitation and assistance for the ageing population, individuals with musculoskeletal disorders, and enhance physical performance in healthy users. By integrating advanced materials, sensors and actuators, and intelligent and energy-efficient control, these technologies can bridge gaps in current countermeasures while offering broader applications on Earth.

研究动机与目标

• 分析微重力对人类骨骼肌系统产生的生理影响，包括骨吸收和肌肉萎缩。
• 评估当前空间机构采用的防护措施，并识别其在长期任务中的局限性。
• 提出可穿戴机器人与传感技术作为基于运动的防护措施的变革性替代方案。
• 突出个性化、人工智能驱动的外骨骼在太空中实现实时生理支持的潜力。
• 倡导建立标准化的国际数据收集体系，以提升对太空相关健康影响的纵向理解。

提出的方法

• 系统性综述微重力引起的生理适应性变化，重点关注机械转导通路和骨肌交互作用。
• 分析国际空间站上使用的现有防护措施，包括抗阻和有氧运动方案。
• 评估集成传感与反馈系统的可穿戴机器人，包括外骨骼和肌电外衣，用于实时监测。
• 整合人工智能驱动的自适应控制算法，根据个体宇航员的生理特征和活动水平个性化支持。
• 评估材料科学与抗辐射电子元件，以确保在太空环境中具备耐久性与功能性。
• 提出建立集中化、国际化的太空健康数据库，以统一数据收集，提升研究可比性。

实验结果

研究问题

• RQ1 微重力引起的机械性卸载和体液转移如何导致宇航员出现骨吸收和肌肉萎缩？
• RQ2 当前基于运动的防护措施在多大程度上能缓解长期太空飞行中的骨骼肌失能？
• RQ3 可穿戴机器人系统是否能比传统运动方案提供更有效、更个性化且更具适应性的支持？
• RQ4 在部署可穿戴机器人系统时，面临的关键技术与环境挑战是什么，包括辐射影响和传感器耐久性？
• RQ5 如何通过标准化的全球数据框架提升太空生理学研究的可靠性与普适性？

主要发现

• 在长期暴露于微重力环境下，即使采用现有防护措施，肌肉萎缩可达16%，骨吸收速率高达每月1%–2%。
• 由于持续存在的失能状态，飞行后常需康复治疗，其生理变化在地球上的表现类似于加速衰老。
• 可穿戴机器人，尤其是集成人工智能的外骨骼，可提供动态、个性化的支持，适应实时生理需求。
• 当前研究受限于任务时长较短、方法学不一致，以及性别多样性不足，特别是女性参与者的代表性严重不足。
• 先进材料、抗辐射电子元件与实时传感技术的整合，对确保可穿戴系统在太空环境中可靠部署至关重要。
• 建立集中化、国际化的太空健康数据库对于统一数据、提升统计效能，并实现跨任务的纵向分析具有关键意义。