太空失重环境下,宇航员是如何锻炼的?

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太空失重环境下,宇航员是如何锻炼的?

图片:Free-Photos / CC0

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说说太空失重环境下宇航员为何要锻炼、国际空间站为宇航员锻炼提供的装置、天宫上的锻炼器械、NASA 定制的宇航员太空训练计划。

国际空间站里的 ARED
空间站的跑步机负重是一个变动值,宇航员刚上天,跑步机设定为宇航员自身体重的 60%,而后慢慢增加,最终视身体的接受程度,达到 85-100%

宇航员必须锻炼的三个关键词:肌肉量、骨密度和心血管健康

人在地面时,因为重力的作用,即便你感觉不出,实际骨骼、关节和肌肉都时时刻刻支撑着身体,可以视为它们一直都是在进行着「锻炼」的。

到了太空的微重力环境下,骨骼和肌肉对身体的支撑度出现大幅减弱,具体表现就是骨密度降低、肌肉萎缩 / 肌肉量降低。

另外人的心血管系统也会放缓工作效率,不像在地球时那么「努力」地抵消重力、把血液泵送到身体每个部位。

——所以宇航员才会被要求进行锻炼。

与很多人想象的不太一样,宇航员在太空中进行的抗阻训练,强度并不低

加拿大宇航局给宇航员锻炼目的列了五点:

  • 降低骨骼的退化 / 骨密度流失
  • 保持肌肉(包括心脏肌肉)的力量
  • 为太空行走和空间站工作维持足够的身体行动能力
  • 确保长期太空生活后,宇航员依然有足够的行动力,应对着陆期间的紧急程序
  • 保持身体健康,维持体型,这也有助于回归地面后的恢复

——这也是锻炼的目的。后面所有锻炼器械、训练计划,都是为实现这五点服务的。

NASA 有个全世界最顶级的宇航员健身和康复专家,叫马克·古利亚姆斯(Mark Guilliams),他负责为宇航员定制在太空中的训练计划。古利亚姆斯的建议是,宇航员在空间站每天至少得花两个小时进行锻炼

并且,总体上宇航员们的锻炼强度还是相当高的,都是类似于 HIIT 的高强度间歇训练,再结合抗阻训练( resistance training )。

毕竟在微重力环境中,很多动作都要更轻松一些,有事倍功半的意思。

国际站的健身器械,也按照上述目的和要求来特别设计。

宇航员也会带一些球类上天,但除了橄榄球这种大量传接的球类,其它项目很难进行

国际空间站为宇航员锻炼提供的「三件套」

载人火箭、航天飞机等设备的空间和重量都很宝贵,不可能给宇航员锻炼的空间,相对宇航员执行任务的时间也较短。国际空间站这种「长居寝室」就不一样了。国际空间站主要有三台健身设备,让宇航员得以用它们锻炼到全身:

  • 骑行台
  • 跑步机
  • ARED 抗阻机

这三台设备和地球上的骑行台、跑步机肯定不太一样,锻炼目的和方式也区别很大。依次说说——

  • 骑行台

太空骑行台可以拆卸坐垫——实际上骑行垫的存在也只是让宇航员贴着而已,并不是真正坐着。宇航员需要靠腰部的锁扣 + 双手扶住,才能进行骑行。

地面模拟太空骑行台,因为有重力存在,就必须有坐垫,在太空坐垫就能省了

骑行台的踏板与有些死飞车的锁带一样,固定住脚面。

经常看 NBA(如今 CBA 也有)的人可能看到过,比赛间隙,有些球星下场后也不会坐在板凳上而是继续在场边骑行台骑行——这是一种保持肌肉热度、未定稳定在「运动待机」状态的方式。

空间站的骑行台也有类似效果,最主要锻炼的部位是心血管。

就运动强度而言,在空间站里它是相对最低的。

太空中测 VO2max 最大摄氧量数值时,也是在骑行台上进行
  • 跑步机

空间站的跑步机与地面区别很大,需要一套相当繁琐的锁扣将人体固定,确保与跑步机跑带垂直,从而才能「跑」——与其说跑,倒不如更像是李宁点燃圣火时的那种空中漫步。

因而,锁扣也有比较高弹性的部分,是将人稍微刻意的摁到跑带上,肩膀和臀部会感觉到压力,这样才能产生摩擦力,真正的跑起来。

空间站的跑步机负重是一个变动值,宇航员刚上天,跑步机设定为宇航员自身体重的 60%,而后慢慢增加,最终视身体的接受程度,达到 85-100%。

——所以下面放的几位太空马拉松,可以理解为他们的真实水准,并没有最终计时的数据那么「快」。

地面上模拟体验太空跑步机

2007 年,美国女宇航员苏尼特·威廉斯在国际空间站跑完「波士顿马拉松」,4 小时 23 分 46 秒,她也是世界上第一个在太空跑马拉松的人 ↓↓

2016 年 4 月 25 日,英国宇航员蒂姆·皮克为地球上同时间的伦敦马拉松「发枪」,然后自己以 3 小时 35 分 21 秒跑完全程,刷新了吉尼斯世界纪录 ↓↓

同为「伦敦马拉松」,蒂姆·皮克完成的这个距离地面 402 公里
地面同步有吉尼斯工作人员为蒂姆·皮克统计里程和时间
  • ARED 抗阻机

ARED 全称 The Advanced Resistive Exercise Device,字面翻译就是抗阻力训练装置。它的「玩法」比较多样,基本所有肌肉都能锻炼到,深蹲、硬拉、腿部肌群训练、拉伸……等等。

——包括目前不少已经投入商业健身房使用的设备,有不少灵感和专利也是来自 ARED。

ARED 2008 年 11 月上天,设计使用寿命 15 年,总寿命预计 1120 万次(NASA 关于 ARED 的官方资料说明:ntts-prod.s3.amazonaws.com )。

宇航员在 ARED 上做深蹲(是否模拟负重未知)时,双手摆放的状态(握住杠杆),也有避免自己飘动的原因。而每次深蹲,ARED 实际上是一个双向的过程,相比地面,对锻炼到的肌群更加丰富。

ARED 能提供的最大阻力是 272 公斤,这也是根据重力数据设计出的一个模拟地面的重量。

一套完整的 ARED 设备

ARED 这一套可以各种拆分组合,也算非常先进了。但如果看得更远一些,跑步机骑行台也好,ARED 也好,都依然难堪重任,能提供的效果还是太有限。比如人类未来真的去火星,动辄飞行以月计算,那就只能「人造重力」了。

当下的思路是通过离心机模拟地球上的重力,这种离心机带来的被动重力,可能要比失重状态下人主动单项锻炼,效果更好些。


天宫上的锻炼器械

这是我国的天宫,2016 年陈冬和景海鹏第一次完成太空跑步。天宫的跑步机,履带更接近传统跑步机的滚筒式样 ↓↓

陈东表示自己最开始根本跑不起来,「直到第三天,景海鹏跑起来了,还一下子跑了一小时。」
航天员在天宫里使用骑行台进行锻炼

除了跑步机和骑行台外,天空还有用于锻炼肩部和背部肌肉的拉力器,以及下体负压筒

下体负压筒可以对下半身施加负压,促使血液向下半身流动,改变失重环境中血液朝头部转移的情况,这些也是目前国际空间站通用的失重防护锻炼器。

没找到天宫的拉力器图片,原理接近于上图这个

NASA 定制的宇航员太空训练计划

前面提到的马克·古利亚姆斯,曾为 40+ 位宇航员定制训练计划。每个宇航员的体质和工作职能不同,生理数据差异也很大,训练都是量身定做的。

有一个 20 分钟版本的宇航员太空训练计划,整个形式接近 HIIT——

  • 先进行 3 分钟的热身(跑步机或骑行台);
  • 通过 ARED 装置完成 3 组次训练,而后进行 2 分钟的冷身,以及运动后的拉伸。

俯卧撑(卧推)、硬拉、卷腹和深蹲各 100 次。当然这些动作在太空和在地面做会有不小的区别。

每小组次锻炼 45 秒,然后休息 15 秒,而后再进行下一个动作。

迈克尔·霍普金斯原来是美国空军的一员,身体素质和强度要比科研人员都更好一些。


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