對抗微重力環境下肌肉骨骼廢用性病變的壓力服裝研究進展

張 倩，牛文鑫，姜成華，高 晶，王 璐

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.東華大學 紡織行業生物醫用紡織材料與技術重點實驗室，上海 201620；3.同濟大學附屬養志康復醫院，上海 201619)

自1961年首位航天員進入太空后，世界各國陸續開啟了航天之旅，隨著載人航天技術的發展和科研探究的深入，航天員在軌時間持續增加，探索范圍不斷擴大。航天員長期處于微重力環境中，所承受的生理負荷顯著降低，由此引起人體各系統產生去重力性適應，甚至使身體出現不良變化[1-2]。其中，人體肌肉骨骼系統的結構與功能受所處力學環境的影響較大，機械刺激不足會導致承重肌肉廢用性萎縮[3]、骨骼礦物質密度降低[4]以及椎間盤吸水膨脹進而引發腰痛[5]。目前，空間站的對抗措施主要有運動鍛煉、藥物治療以及使用穿戴設備。

壓力服裝以人體為設計目標，通過優選材料和設計方式在人體皮膚表面施加不同的壓力[6]，是一種有效的穿戴對抗措施。對嚴格要求小空間和低能耗的太空飛行而言，小巧便攜的壓力服裝具有顯著優勢。本文以目前國內外用于為肌肉骨骼提供負荷的穿戴對抗措施為研究對象，重點分析了空間站現用壓力加載服裝和文獻報道中相關原型服裝的對抗機制、結構功效及評價方法，最后總結了服裝在成形工藝和性能測試方面的不足，提出相應解決策略，并針對材料工藝、評價體系和技術轉化進行了展望。

1 現用航空壓力服裝的分類

航天員在軌飛行期間會面對復雜且多變的環境，包括空間自然環境、超重和微重力環境等[7]。根據航天壓力服的功能，可將其分為應對空間自然環境的防護壓力服、抵抗超重環境的抗荷服以及對抗微重力環境的重力加載服。

防護壓力服主要分為充氣式壓力服和機械反壓式壓力服[8]，其中機械反壓式壓力服是利用服裝對人體表面產生的壓力模擬皮膚在地球環境中的自然受力狀態[9]。Newman等[10]基于Iberall提出的LoNEs約束層理論設計了一款機械反壓式壓力服Biosuit，其選用高強度材料沿體表非延長線控制服裝結構，在非延長線之間采用彈性材料提供機械反壓，先后探究了人體肘關節[11]、肩部[12]、踝關節[13]和膝關節[14]的非延長線特點，但目前尚未研制成功可以提供均勻機械反壓的壓力服[15]。

抗荷服主要分為管式抗荷服和囊式抗荷服，其通過向人體下肢和腹部施加正向壓力，減少超重對人體系統產生的不良作用[16]。抗荷服的功能取決于其結構形式、覆蓋面積和壓力。目前，新型的抗荷服可幫助人體抵抗高達9倍的過載重力[17]。

重力加載服利用服裝壓力對人體施加沿垂直軸的軸向載荷，模擬人體在地球環境中的重力分布，從而對抗微重力環境對人體系統產生的不利影響。現有文獻報道了多款用于模擬重力的壓力服裝及相關功能配件，本文將其統稱為壓力服裝。

2 壓力服裝的對抗機制

根據對人體施加載荷的作用單元特點，可將壓力服裝分為拉力加壓型、氣體加壓型和輔助加壓配件，具體特征如表1所示。拉力加壓型壓力服裝通過拉伸服裝材料對人體產生機械負荷。根據服裝對人體的作用方向可分為經向和緯向2種(經向為沿人體垂直軸方向，緯向為平行于人體水平面方向)。氣體加壓型壓力服裝通過在服裝內部輸入氣體對人體下肢產生負壓，并通過服裝結構傳遞至肩部。此外，還有一些輔助加壓配件在對抗肌肉骨骼去重力性適應的相關實驗中被探究。

表1 壓力服裝的特點

3 壓力服裝的結構及功效

3.1 拉力加壓型壓力服裝

3.1.1 企鵝服

企鵝服是目前國際空間站使用的對抗措施之一，通過將彈力拉帶嵌入服裝中，實現對人體提供持續軸向載荷的功能，產生抵抗正常姿勢的阻力，促進肌肉激活[18]。企鵝服由張力系統和靴子組成，如圖1[19]所示。

圖1 企鵝服

彈性腰帶將企鵝服分為上下2個部分，彈力拉帶作為上裝與腰帶、腰帶與下裝之間的連接部件，沿人體垂直軸為軀干和下肢提供縱向壓縮力[20]。此外，還有1組彈力拉帶位于脛骨到鞋底之間，通過誘導跖屈為小腿肌肉提供張力[21]。航天員通過調節彈力拉帶的長度，為肌肉和骨骼施加不同的軸向載荷量，最大可提供49 kg負荷[22]，每天以最大張力穿著企鵝服6～8 h可為人體加載50%體重的壓力[23]。企鵝服還配備有載荷測量系統，可對人體脊柱、下肢骨骼和主要肌肉群所受軸向壓力進行客觀監測，保護機組人員的安全[23]。目前，該企鵝服還被開發用在治療腦癱患者的Adeli套裝上[24]。

Yamashita等[25]研究了每天穿著10 h企鵝服對小腿肌肉的影響，2個月的臥床模擬實驗證明該套裝可以保持比目魚肌慢肌纖維的收縮特性。此外，企鵝服還可通過激活小腿肌肉增加靜脈回流，刺激皮膚機械感受，促進感覺運動[18]，減少航天員在微重力環境下的脊柱伸長和背部疼痛[26-27]，但以上功效的定量評估結果均未見報道。此外，企鵝服要對肩部提供較高的負荷，為此會使人體產生強烈的不適感。Bogomolov等[28]報道了12名航天員在軌飛行期間的體能訓練情況，僅有4名航天員按要求穿著企鵝服并發揮出該服裝的功能。同時該服裝具有較差的導熱性，會對皮膚造成傷害[29]。

3.1.2 軀干加壓背帶

軀干加壓背帶(TCH)是Sayson等[30]提出的一種對抗脊柱在微重力環境中適應性變化的背帶式服裝，通過對脊柱提供后向載荷，誘導脊柱代償性屈曲，激活核心肌肉并增強脊柱穩定性。該服裝由肩墊、短褲和連接二者的彈力拉帶組成，后側彈力拉帶呈交叉狀，結構如圖2[30]所示。當航天員彎曲軀干時，彈力拉帶會對脊柱產生伸展力矩，從而促進腹直肌、腹外斜肌、腹內斜肌和腹橫肌的肌肉收縮，同時增加腹內壓力，加強脊柱穩定性。這種抵抗脊柱壓縮的力學作用會增加腰椎間盤壓力，產生約50%體重的壓力[31]，但目前并未見該服裝相關性能測試的研究報道。

圖2 軀干壓縮背帶

3.1.3 可調節重力加載對抗裝備

可調節重力加載對抗裝備(CGLM bodygear)是Shankhwar等[32]提出的針對微重力環境中人體肌肉萎縮的壓力服裝，其結構如圖3[33]所示。CGLM bodygear通過連接在錦綸帶上的不銹鋼彈簧，沿人體垂直軸施加從肩膀到腳底的軸向載荷，通過調節彈簧的長度和數量改變載荷量。開發者測量了人體運動時CGLM bodygear對肌肉活動的影響，選擇40%體重的壓力為實驗組，通過檢測肌電信號發現：以20 步/min的速度行走時，實驗組腓腸肌和比目魚肌的肌肉活動分別增加87%和90%[32]；在15次深蹲運動中，實驗組股二頭肌和股直肌的肌肉活動分別增加50%和90%[34]。這初步表明，CGLM bodygear可以在人體運動時募集更多的運動單元，增加肌肉收縮，預防肌肉萎縮。此外，開發者還以-6°頭低位臥床實驗模擬微重力環境，研究了CGLM bodygear對人體心臟、血管和呼吸系統的影響，結果表明該服裝增強了心血管系統間的相互影響作用[33]。

圖3 可調節重力加載對抗裝備

3.1.4 重力加載對抗皮膚衣

重力加載對抗皮膚衣(GLCS)是目前國際空間站使用的另一種對抗服裝，利用服裝張力在人體表面施加不同的靜態載荷，以模擬地球重力對人體的影響，具有數百個彈力變化梯度的面料可為人體提供更精確的軸向負荷和更舒適的穿著體驗[35]。GLCS由四面彈性織物和非彈性織物組成，其結構如圖4[36]所示。

圖4 重力加載對抗皮膚衣MKIII

服裝的經向張力用于模擬重力對人體施加的軸向載荷，由人體重力分布計算得到，以1～2 cm為彈力變化梯度長度，通過插值計算對人體各部分進行連續估計。緯向張力用于對皮膚施加壓力以確定服裝加載位點，利用Laplace變形方程計算服裝橫向張力，保證皮膚壓力小于2 266.44 Pa，同時滿足服裝縱向張力變化[37]。服裝的緯向彈性模量較低，便于航天員穿脫，且不會對呼吸系統和日常活動產生較大的束縛。微重力對人體上肢產生的影響較小，故服裝設計為無袖結構。肩部使用非彈性面料固定拉力加載起始點，褲腳處設有腳踩與腳底連接。沿四面彈性織物經向縫制有多條非彈性阻力帶，保證服裝在使用時提供預期的應變。

GLCS以平衡功能性和舒適性為改進目標，先后研發了6個版本(MKI～MKVI)，其改進了彈性材料的力學性能，增加了非彈性阻力帶和拉鏈的個數，其中3個版本的主要性能測試結果如表2所示。改版后，GLCS所提供的機械載荷逐漸減小，舒適度和身體控制評分有所提高。GLCS MKI的穿著時間為6 h以下[37]，而GLCS MKVI可在超浮力漂浮的模擬微重力環境下穿著8 h。從目前數據可看出，機械載荷降低并未對脊柱伸長量產生過大的影響。GLCS MKIII在地面運動測試的結果中顯示，壓力服裝造成了人體肩部(-34°)、脊柱(-28°)和膝蓋(-13°)的關節活動范圍下降。此外，GLCS MKVI版本有大量生理參數的研究報道[35]，在8 h超浮力漂浮模擬實驗中，施加對抗措施使腰椎區域椎間盤高度下降，產生背痛的時間延遲且痛感降低，但脊柱曲度沒有顯著差異。

表2 GLCS主要性能測試結果

3.2 氣體加壓型壓力服裝

下體負壓(LBNP)是模擬重力場對人體影響的有效方法之一[40]，由于下體負壓艙設備較為笨重，不便于航天員的使用及執行任務，故下體負壓褲應運而生。

俄羅斯最早研制出Chibis下體負壓褲[41]以對抗失重的影響，其由褲腰、褲腿、鞋子、背帶4部分組成，通過向身體下部施加負壓對腳底產生地面反作用力，同時在褲腰處對腰部產生壓力，并沿背帶將壓力傳輸至肩部。

孫喜慶等[40]、Petersen等[42-43]、張浩[44]先后設計研發了其它下體負壓褲。Petersen等[42-43]提出的下體負壓褲Gravity Suit由便攜式真空系統、壓力和溫度控制系統、安全關閉系統和脊柱加載系統組成。其選擇Hyprotex面料作為褲腿和鞋子的外層結構，柔性氯丁橡膠和錦綸作為褲腰和軀干背心的連接結構，在保證人體熱濕舒適性的同時具有良好的氣密性。在鞋墊和肩墊處放置力學傳感器，測量服裝對人體的壓力。其研究結果表明：當下體負壓褲產生的壓力以1 333.2 Pa的梯度從0 Pa變化至-5 332.8 Pa時，服裝分別對人體產生了13%、41%、75%和125%體重的壓力；-2 666.4 Pa的下體負壓可為人體提供良好的壓力，同時保證運動舒適性，但其還未對肌肉骨骼的進一步影響進行研究。

3.3 輔助加壓配件

3.3.1 袖 帶

袖帶常常用來對抗微重力對人體心血管造成的不良影響，但近期有研究報道了其對肌肉骨骼系統的影響。Theo等[45]通過5 d的干浸漬實驗探究了大腿袖帶在模擬微重力環境中對下肢肌肉萎縮的影響。肌肉最大力量測試和股外側肌的肌肉活檢結果表明，大腿袖帶并不能緩解微重力環境對肌肉造成的廢用性萎縮。Therese等[46]通過相同實驗探究了大腿袖帶對骨轉換和磷鈣代謝等關鍵標志物的影響，同樣證實了大腿袖帶并不能顯著防止微重力對骨細胞活動或能量代謝的有害影響。

3.3.2 跑臺束縛系統

航天員在微重力環境中跑步鍛煉時，需要通過束縛系統將人體固定在跑臺上。束縛系統的基本結構為配有肩帶的腰帶，腰帶上配有與跑步機連接的環扣結構，負荷沿束縛系統對人體施加類似重力的影響[22]，通過運動為人體提供70%～80%體重的壓力[47]。考慮到人體肩部和腰部的加壓舒適性，束縛系統在單一彈力拉帶[48]的基礎上增加了襯墊[49]，目前未見關于束縛系統設計原理的詳細報道。

4 壓力服裝的評價方法

4.1 加載功能性

對抗微重力環境的壓力服裝主要是為人體提供擬重力載荷，涉及到服裝、人體及二者之間的力學傳導，其評價手段應包含以下3個方面。

1)服裝力學性能。主要評估服裝力學載荷元件是否達到預期效果。對于拉力加壓型壓力服裝，其機械負荷是通過拉伸彈性元件實現的，可通過稱重傳感器評估其定長拉伸力值和彈性回復性能；對于模量穩定的元件，測量其應變值能間接反映載荷加載情況。氣體加壓型壓力服裝利用氣壓差值實現力學加載，監測其氣壓值變化可反映服裝對人體產生的壓力值。松弛和蠕變是材料常見的力學性能問題，應定期檢測服裝的力值變化，以評估力學載荷元件的持久穩定性和使用損耗量，如引入監測指示系統。

2)人服力學交互。人服界面的力學分布是反映服裝對人體作用的直觀指標。服裝壓力測試裝置可以間接反映實際應用效果。若實驗條件允許，在人體表面或服裝內側設置壓力傳感器，或直接將柔性傳感器織入服裝內部，利用無線設備接收壓力信號，均是值得參考的評價手段。

3)人體生物力學。由于肌肉骨骼的生理載荷難以直接測量，在評估該類力學參數時可利用計算機仿真模擬技術，將服裝耦合至人體肌骨生物力學模型或有限元分析模型中，計算服裝載荷對人體肌肉力、關節力和關節力矩等關鍵參數產生的影響。

4.2 穿著舒適性

壓力服裝的舒適性包括壓力舒適性、運動舒適性和熱濕舒適性[50]，與人體靜態、動態以及時間尺度變化相互對應。為全面評價壓力服裝的穿著舒適性，應充分考慮多種應用環境及人體狀態。

1)壓力舒適性。現有實驗中常采用量表作為受試者的主觀評價方法，如Corlett和 Bishop不舒適量表[51]、Cooper-Harper身體控制量表和Borg感知勞累量表[52]。探究主觀評價結果與服裝壓力值之間的數學關系，可為調節服裝壓力舒適性提供依據。

2)運動舒適性。穿脫時間在一定程度上反映壓力服裝的服用性能[37]。利用三維運動捕捉系統，測量人體在不同活動下穿著壓力服裝后的關節活動范圍，是定量評價人體運動舒適性的有效手段。

3)熱濕舒適性。服裝的熱濕舒適性一般通過材料的透濕性、透氣性和導熱系數等參數客觀反映，也可通過量表得到受試者的主觀評價。此外，測量穿著壓力服裝對皮膚造成的影響，如皮膚表面微生物種群變化[39]，也能反映穿著舒適性。

4.3 生理適應性

壓力服裝的根本目的是對人體產生力學刺激干預，對抗微重力環境造成的不良影響。這些功效直接表現為人體生理參數的變化，應涵蓋骨骼及肌肉相關生理指標，針對人體運動狀態還應考慮心肺功能指標。

骨骼生理變化的直觀參數為脊柱的伸長量，借助計算機斷層掃描、磁共振成像和雙能X射線骨密度儀等設備可定量評估骨質。肌肉功能可通過肌電信號檢測、超聲波檢測和肌肉活檢等方法分析。以上生理參數可對模擬計算的生物力學參數進行準確性驗證，提高評估可靠性。針對航天員在軌飛行期間的背痛問題通常選擇量表評估。借助便攜式呼吸測量裝置和心率檢測裝置可實時反映人體著裝運動時的心肺功能變化。

5 現存不足與發展趨勢

5.1 現存問題及相應對策

5.1.1 成形工藝探究

目前，空間站使用的穿戴對抗措施主要為企鵝服和GLCS，其它研究還處于原型探究階段。這些壓力服裝的加載量有所不足，單一使用無法滿足航天員肌肉骨骼系統所需的機械刺激，通常需要聯合運動使用。壓力服裝的功能加載性和穿著舒適性始終存在矛盾，找到服裝對人體產生的力學作用和皮膚承受壓力的平衡點是不斷探究的目標。

現有壓力服裝多選用氨綸等具有優異彈性變形的聚氨酯纖維，在面對高彈力需求時，往往需要發生較大的形變，從而引發較高的應力松弛率。在滿足人體舒適性的同時可考慮添加一些彈性模量較高的橡膠或聚酯纖維，減少紗線形變量，抑制材料的力學損耗。此外，結合功能紗線引入被動調節或主動反饋系統，根據力學損耗量增加載荷元件的應變量或氣壓值，彌補加載量不足。

壓力服裝的結構可分為束帶型和面料型，二者在壓力調節和穿著舒適性方面各有優劣。可考慮通過紡織或服裝工藝將二者相結合，如利用電腦橫機分區調控面料結構與性能，或通過縫制、粘貼等結合手段層層組裝。以低彈力面料為基材，減少對人體的束縛，增強穿著舒適感；選用高彈力束帶作為力學載荷元件，保證穩定的加載量，同時增加服裝的可調節性，擴大適用人群，降低服裝成本。

5.1.2 性能測試需要完善

由于壓力服裝結構復雜、微重力模擬環境較為苛刻等客觀因素，現有相關文獻中招募的受試者數量較少，樣本個體差異較大，測試結果普適性略低，地面測試模擬環境與真實航天環境也存在一定差距。同時，隨著航天員在軌時間的增加，對應地面模擬的時間要求也隨之增加，加大了實驗操作的難度。針對上述問題，可考慮借助計算機仿真技術模擬特因環境對人體造成的影響，利用可行性較高的實驗驗證模型的準確性，充分發揮科技發展帶來的優勢。

在評估壓力服裝的加載功能性時，現有文獻較少探究壓力服裝之間的作用效果差異，大多數對照組會選擇未穿著壓力服，難以對比現有對抗措施之間的特點。為更好地促進功能服裝發展，應考慮增加不同壓力服裝間的橫向對比。在力學材料的基礎上，積極引入熱、電、聲、光等主動響應材料，完善并擴展壓力服裝的服用感受。

此外，關于服裝熱濕舒適性的定量評價研究較少。應用暖體假人裝置或建立熱學模型仿真分析，均能客觀評價熱濕舒適性。通過在體實驗測量人體著裝前后的皮膚溫度和出汗量等生理參數，定量分析服裝壓力和上述指標的數學關系，為探究穿著熱濕舒適性提供依據。

5.2 發展趨勢

5.2.1 材料工藝

現有壓力服裝的研發關鍵在于增強力學載荷元件的性能。對于拉力加壓型壓力服裝，彈性材料發生應變后所能提供的載荷必須是恒定和持久的，準確的彈性模量和較低的應力松弛是未來研發的關鍵。對于氣體加壓型壓力服裝，在保證良好氣密性的同時，必須考慮透濕導熱等穿著舒適性。形狀記憶材料和柔性傳感設備等智能材料，在控制服裝結構和反饋服裝性能方面具有較大的潛力，可以擴展壓力服裝的功能性，同時為航天員的安全與健康提供更有力的保障。

5.2.2 評價體系

現有壓力服裝評價以“服裝性能-服裝與人體作用-人體生理參數”為發展趨勢，更加注重壓力服裝對人體引起的生理適應變化，通過評估多個系統的交互作用探究內在機制。由于測試環境復雜和實驗周期較長等限制，現有測試難以做到全面和完善。影像醫學的快速發展為了解肌肉骨骼系統提供了更直觀的手段，仿真模擬技術為生理參數的評價提供了更多可能。結合智能傳感設備進行實時評估，利用機器學習算法完善測試結果，可為服裝設計提供更加詳細準確的參考資料。

5.2.3 技術轉化

航天技術向民用轉化是大勢所趨，如治療腦癱患者的Adeli套裝則是由企鵝服轉化而來。壓力服裝的作用原理是向處于機械刺激不足環境中的人體施加載荷，地球上也存在相似低負荷環境，如臥床狀態。臥床狀態使得人體垂直軸方向難以獲得力學刺激，此外，臥床患者的自身疾病會造成其自主運動困難，活動量減少，這些因素同樣會導致患者骨質流失和肌肉萎縮。針對這些患者開發相關重力加載服裝，可擴充醫療設備的可選擇性，為患者的康復提供更有效的治療。

6 結束語

目前我國載人航天戰略正向空間站時代邁進，長期微重力環境對航天員造成的不良影響仍是我們需要攻克的難題。空間站現用壓力服裝仍存在重力加載量不足、穿著舒適性不佳等問題，研究者們也正嘗試利用材料拉力或氣體壓力等原理，結合多學科技術改進壓力服裝功效。相信未來隨著材料工藝的改進和創新，評價技術的智能化和有效化，更加貼合航天員需求的重力加載壓力服裝將為載人航天技術提供更堅實的保障。航天技術轉化也會為地球家園的患者提供更好的康復條件，為日后實現月球、火星探索，甚至太空旅行帶來希望。