对抗微重力环境下肌肉骨骼废用性病变的压力服装研究进展

张 倩，牛文鑫，姜成华，高 晶，王 璐

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；
2.东华大学 纺织行业生物医用纺织材料与技术重点实验室，上海 201620；
3.同济大学附属养志康复医院，上海 201619)

自1961年首位航天员进入太空后，世界各国陆续开启了航天之旅，随着载人航天技术的发展和科研探究的深入，航天员在轨时间持续增加，探索范围不断扩大。航天员长期处于微重力环境中，所承受的生理负荷显著降低，由此引起人体各系统产生去重力性适应，甚至使身体出现不良变化[1-2]。其中，人体肌肉骨骼系统的结构与功能受所处力学环境的影响较大，机械刺激不足会导致承重肌肉废用性萎缩[3]、骨骼矿物质密度降低[4]以及椎间盘吸水膨胀进而引发腰痛[5]。目前，空间站的对抗措施主要有运动锻炼、药物治疗以及使用穿戴设备。

压力服装以人体为设计目标，通过优选材料和设计方式在人体皮肤表面施加不同的压力[6]，是一种有效的穿戴对抗措施。对严格要求小空间和低能耗的太空飞行而言，小巧便携的压力服装具有显著优势。本文以目前国内外用于为肌肉骨骼提供负荷的穿戴对抗措施为研究对象，重点分析了空间站现用压力加载服装和文献报道中相关原型服装的对抗机制、结构功效及评价方法，最后总结了服装在成形工艺和性能测试方面的不足，提出相应解决策略，并针对材料工艺、评价体系和技术转化进行了展望。

航天员在轨飞行期间会面对复杂且多变的环境，包括空间自然环境、超重和微重力环境等[7]。根据航天压力服的功能，可将其分为应对空间自然环境的防护压力服、抵抗超重环境的抗荷服以及对抗微重力环境的重力加载服。

防护压力服主要分为充气式压力服和机械反压式压力服[8]，其中机械反压式压力服是利用服装对人体表面产生的压力模拟皮肤在地球环境中的自然受力状态[9]。Newman等[10]基于Iberall提出的LoNEs约束层理论设计了一款机械反压式压力服Biosuit，其选用高强度材料沿体表非延长线控制服装结构，在非延长线之间采用弹性材料提供机械反压，先后探究了人体肘关节[11]、肩部[12]、踝关节[13]和膝关节[14]的非延长线特点，但目前尚未研制成功可以提供均匀机械反压的压力服[15]。

抗荷服主要分为管式抗荷服和囊式抗荷服，其通过向人体下肢和腹部施加正向压力，减少超重对人体系统产生的不良作用[16]。抗荷服的功能取决于其结构形式、覆盖面积和压力。目前，新型的抗荷服可帮助人体抵抗高达9倍的过载重力[17]。

重力加载服利用服装压力对人体施加沿垂直轴的轴向载荷，模拟人体在地球环境中的重力分布，从而对抗微重力环境对人体系统产生的不利影响。现有文献报道了多款用于模拟重力的压力服装及相关功能配件，本文将其统称为压力服装。

根据对人体施加载荷的作用单元特点，可将压力服装分为拉力加压型、气体加压型和辅助加压配件，具体特征如表1所示。拉力加压型压力服装通过拉伸服装材料对人体产生机械负荷。根据服装对人体的作用方向可分为经向和纬向2种(经向为沿人体垂直轴方向，纬向为平行于人体水平面方向)。气体加压型压力服装通过在服装内部输入气体对人体下肢产生负压，并通过服装结构传递至肩部。此外，还有一些辅助加压配件在对抗肌肉骨骼去重力性适应的相关实验中被探究。

表1 压力服装的特点

3.1 拉力加压型压力服装

3.1.1 企鹅服

企鹅服是目前国际空间站使用的对抗措施之一，通过将弹力拉带嵌入服装中，实现对人体提供持续轴向载荷的功能，产生抵抗正常姿势的阻力，促进肌肉激活[18]。企鹅服由张力系统和靴子组成，如图1[19]所示。

图1 企鹅服

弹性腰带将企鹅服分为上下2个部分，弹力拉带作为上装与腰带、腰带与下装之间的连接部件，沿人体垂直轴为躯干和下肢提供纵向压缩力[20]。此外，还有1组弹力拉带位于胫骨到鞋底之间，通过诱导跖屈为小腿肌肉提供张力[21]。航天员通过调节弹力拉带的长度，为肌肉和骨骼施加不同的轴向载荷量，最大可提供49 kg负荷[22]，每天以最大张力穿着企鹅服6～8 h可为人体加载50%体重的压力[23]。企鹅服还配备有载荷测量系统，可对人体脊柱、下肢骨骼和主要肌肉群所受轴向压力进行客观监测，保护机组人员的安全[23]。目前，该企鹅服还被开发用在治疗脑瘫患者的Adeli套装上[24]。

Yamashita等[25]研究了每天穿着10 h企鹅服对小腿肌肉的影响，2个月的卧床模拟实验证明该套装可以保持比目鱼肌慢肌纤维的收缩特性。此外，企鹅服还可通过激活小腿肌肉增加静脉回流，刺激皮肤机械感受，促进感觉运动[18]，减少航天员在微重力环境下的脊柱伸长和背部疼痛[26-27]，但以上功效的定量评估结果均未见报道。此外，企鹅服要对肩部提供较高的负荷，为此会使人体产生强烈的不适感。Bogomolov等[28]报道了12名航天员在轨飞行期间的体能训练情况，仅有4名航天员按要求穿着企鹅服并发挥出该服装的功能。同时该服装具有较差的导热性，会对皮肤造成伤害[29]。

3.1.2 躯干加压背带

躯干加压背带(TCH)是Sayson等[30]提出的一种对抗脊柱在微重力环境中适应性变化的背带式服装，通过对脊柱提供后向载荷，诱导脊柱代偿性屈曲，激活核心肌肉并增强脊柱稳定性。该服装由肩垫、短裤和连接二者的弹力拉带组成，后侧弹力拉带呈交叉状，结构如图2[30]所示。当航天员弯曲躯干时，弹力拉带会对脊柱产生伸展力矩，从而促进腹直肌、腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌的肌肉收缩，同时增加腹内压力，加强脊柱稳定性。这种抵抗脊柱压缩的力学作用会增加腰椎间盘压力，产生约50%体重的压力[31]，但目前并未见该服装相关性能测试的研究报道。

图2 躯干压缩背带

3.1.3 可调节重力加载对抗装备

可调节重力加载对抗装备(CGLM bodygear)是Shankhwar等[32]提出的针对微重力环境中人体肌肉萎缩的压力服装，其结构如图3[33]所示。CGLM bodygear通过连接在锦纶带上的不锈钢弹簧，沿人体垂直轴施加从肩膀到脚底的轴向载荷，通过调节弹簧的长度和数量改变载荷量。开发者测量了人体运动时CGLM bodygear对肌肉活动的影响，选择40%体重的压力为实验组，通过检测肌电信号发现：以20 步/min的速度行走时，实验组腓肠肌和比目鱼肌的肌肉活动分别增加87%和90%[32]；
在15次深蹲运动中，实验组股二头肌和股直肌的肌肉活动分别增加50%和90%[34]。这初步表明，CGLM bodygear可以在人体运动时募集更多的运动单元，增加肌肉收缩，预防肌肉萎缩。此外，开发者还以-6°头低位卧床实验模拟微重力环境，研究了CGLM bodygear对人体心脏、血管和呼吸系统的影响，结果表明该服装增强了心血管系统间的相互影响作用[33]。

图3 可调节重力加载对抗装备

3.1.4 重力加载对抗皮肤衣

重力加载对抗皮肤衣(GLCS)是目前国际空间站使用的另一种对抗服装，利用服装张力在人体表面施加不同的静态载荷，以模拟地球重力对人体的影响，具有数百个弹力变化梯度的面料可为人体提供更精确的轴向负荷和更舒适的穿着体验[35]。GLCS由四面弹性织物和非弹性织物组成，其结构如图4[36]所示。

图4 重力加载对抗皮肤衣MKIII

服装的经向张力用于模拟重力对人体施加的轴向载荷，由人体重力分布计算得到，以1～2 cm为弹力变化梯度长度，通过插值计算对人体各部分进行连续估计。纬向张力用于对皮肤施加压力以确定服装加载位点，利用Laplace变形方程计算服装横向张力，保证皮肤压力小于2 266.44 Pa，同时满足服装纵向张力变化[37]。服装的纬向弹性模量较低，便于航天员穿脱，且不会对呼吸系统和日常活动产生较大的束缚。微重力对人体上肢产生的影响较小，故服装设计为无袖结构。肩部使用非弹性面料固定拉力加载起始点，裤脚处设有脚踩与脚底连接。沿四面弹性织物经向缝制有多条非弹性阻力带，保证服装在使用时提供预期的应变。

GLCS以平衡功能性和舒适性为改进目标，先后研发了6个版本(MKI～MKVI)，其改进了弹性材料的力学性能，增加了非弹性阻力带和拉链的个数，其中3个版本的主要性能测试结果如表2所示。改版后，GLCS所提供的机械载荷逐渐减小，舒适度和身体控制评分有所提高。GLCS MKI的穿着时间为6 h以下[37]，而GLCS MKVI可在超浮力漂浮的模拟微重力环境下穿着8 h。从目前数据可看出，机械载荷降低并未对脊柱伸长量产生过大的影响。GLCS MKIII在地面运动测试的结果中显示，压力服装造成了人体肩部(-34°)、脊柱(-28°)和膝盖(-13°)的关节活动范围下降。此外，GLCS MKVI版本有大量生理参数的研究报道[35]，在8 h超浮力漂浮模拟实验中，施加对抗措施使腰椎区域椎间盘高度下降，产生背痛的时间延迟且痛感降低，但脊柱曲度没有显著差异。

表2 GLCS主要性能测试结果

3.2 气体加压型压力服装

下体负压(LBNP)是模拟重力场对人体影响的有效方法之一[40]，由于下体负压舱设备较为笨重，不便于航天员的使用及执行任务，故下体负压裤应运而生。

俄罗斯最早研制出Chibis下体负压裤[41]以对抗失重的影响，其由裤腰、裤腿、鞋子、背带4部分组成，通过向身体下部施加负压对脚底产生地面反作用力，同时在裤腰处对腰部产生压力，并沿背带将压力传输至肩部。

孙喜庆等[40]、Petersen等[42-43]、张浩[44]先后设计研发了其它下体负压裤。Petersen等[42-43]提出的下体负压裤Gravity Suit由便携式真空系统、压力和温度控制系统、安全关闭系统和脊柱加载系统组成。其选择Hyprotex面料作为裤腿和鞋子的外层结构，柔性氯丁橡胶和锦纶作为裤腰和躯干背心的连接结构，在保证人体热湿舒适性的同时具有良好的气密性。在鞋垫和肩垫处放置力学传感器，测量服装对人体的压力。其研究结果表明：当下体负压裤产生的压力以1 333.2 Pa的梯度从0 Pa变化至-5 332.8 Pa时，服装分别对人体产生了13%、41%、75%和125%体重的压力；
-2 666.4 Pa的下体负压可为人体提供良好的压力，同时保证运动舒适性，但其还未对肌肉骨骼的进一步影响进行研究。

3.3 辅助加压配件

3.3.1 袖 带

袖带常常用来对抗微重力对人体心血管造成的不良影响，但近期有研究报道了其对肌肉骨骼系统的影响。Theo等[45]通过5 d的干浸渍实验探究了大腿袖带在模拟微重力环境中对下肢肌肉萎缩的影响。肌肉最大力量测试和股外侧肌的肌肉活检结果表明，大腿袖带并不能缓解微重力环境对肌肉造成的废用性萎缩。Therese等[46]通过相同实验探究了大腿袖带对骨转换和磷钙代谢等关键标志物的影响，同样证实了大腿袖带并不能显著防止微重力对骨细胞活动或能量代谢的有害影响。

3.3.2 跑台束缚系统

航天员在微重力环境中跑步锻炼时，需要通过束缚系统将人体固定在跑台上。束缚系统的基本结构为配有肩带的腰带，腰带上配有与跑步机连接的环扣结构，负荷沿束缚系统对人体施加类似重力的影响[22]，通过运动为人体提供70%～80%体重的压力[47]。考虑到人体肩部和腰部的加压舒适性，束缚系统在单一弹力拉带[48]的基础上增加了衬垫[49]，目前未见关于束缚系统设计原理的详细报道。

4.1 加载功能性

对抗微重力环境的压力服装主要是为人体提供拟重力载荷，涉及到服装、人体及二者之间的力学传导，其评价手段应包含以下3个方面。

1)服装力学性能。主要评估服装力学载荷元件是否达到预期效果。对于拉力加压型压力服装，其机械负荷是通过拉伸弹性元件实现的，可通过称重传感器评估其定长拉伸力值和弹性回复性能；
对于模量稳定的元件，测量其应变值能间接反映载荷加载情况。气体加压型压力服装利用气压差值实现力学加载，监测其气压值变化可反映服装对人体产生的压力值。松弛和蠕变是材料常见的力学性能问题，应定期检测服装的力值变化，以评估力学载荷元件的持久稳定性和使用损耗量，如引入监测指示系统。

2)人服力学交互。人服界面的力学分布是反映服装对人体作用的直观指标。服装压力测试装置可以间接反映实际应用效果。若实验条件允许，在人体表面或服装内侧设置压力传感器，或直接将柔性传感器织入服装内部，利用无线设备接收压力信号，均是值得参考的评价手段。

3)人体生物力学。由于肌肉骨骼的生理载荷难以直接测量，在评估该类力学参数时可利用计算机仿真模拟技术，将服装耦合至人体肌骨生物力学模型或有限元分析模型中，计算服装载荷对人体肌肉力、关节力和关节力矩等关键参数产生的影响。

4.2 穿着舒适性

压力服装的舒适性包括压力舒适性、运动舒适性和热湿舒适性[50]，与人体静态、动态以及时间尺度变化相互对应。为全面评价压力服装的穿着舒适性，应充分考虑多种应用环境及人体状态。

1)压力舒适性。现有实验中常采用量表作为受试者的主观评价方法，如Corlett和 Bishop不舒适量表[51]、Cooper-Harper身体控制量表和Borg感知劳累量表[52]。探究主观评价结果与服装压力值之间的数学关系，可为调节服装压力舒适性提供依据。

2)运动舒适性。穿脱时间在一定程度上反映压力服装的服用性能[37]。利用三维运动捕捉系统，测量人体在不同活动下穿着压力服装后的关节活动范围，是定量评价人体运动舒适性的有效手段。

3)热湿舒适性。服装的热湿舒适性一般通过材料的透湿性、透气性和导热系数等参数客观反映，也可通过量表得到受试者的主观评价。此外，测量穿着压力服装对皮肤造成的影响，如皮肤表面微生物种群变化[39]，也能反映穿着舒适性。

4.3 生理适应性

压力服装的根本目的是对人体产生力学刺激干预，对抗微重力环境造成的不良影响。这些功效直接表现为人体生理参数的变化，应涵盖骨骼及肌肉相关生理指标，针对人体运动状态还应考虑心肺功能指标。

骨骼生理变化的直观参数为脊柱的伸长量，借助计算机断层扫描、磁共振成像和双能X射线骨密度仪等设备可定量评估骨质。肌肉功能可通过肌电信号检测、超声波检测和肌肉活检等方法分析。以上生理参数可对模拟计算的生物力学参数进行准确性验证，提高评估可靠性。针对航天员在轨飞行期间的背痛问题通常选择量表评估。借助便携式呼吸测量装置和心率检测装置可实时反映人体着装运动时的心肺功能变化。

5.1 现存问题及相应对策

5.1.1 成形工艺探究

目前，空间站使用的穿戴对抗措施主要为企鹅服和GLCS，其它研究还处于原型探究阶段。这些压力服装的加载量有所不足，单一使用无法满足航天员肌肉骨骼系统所需的机械刺激，通常需要联合运动使用。压力服装的功能加载性和穿着舒适性始终存在矛盾，找到服装对人体产生的力学作用和皮肤承受压力的平衡点是不断探究的目标。

现有压力服装多选用氨纶等具有优异弹性变形的聚氨酯纤维，在面对高弹力需求时，往往需要发生较大的形变，从而引发较高的应力松弛率。在满足人体舒适性的同时可考虑添加一些弹性模量较高的橡胶或聚酯纤维，减少纱线形变量，抑制材料的力学损耗。此外，结合功能纱线引入被动调节或主动反馈系统，根据力学损耗量增加载荷元件的应变量或气压值，弥补加载量不足。

压力服装的结构可分为束带型和面料型，二者在压力调节和穿着舒适性方面各有优劣。可考虑通过纺织或服装工艺将二者相结合，如利用电脑横机分区调控面料结构与性能，或通过缝制、粘贴等结合手段层层组装。以低弹力面料为基材，减少对人体的束缚，增强穿着舒适感；
选用高弹力束带作为力学载荷元件，保证稳定的加载量，同时增加服装的可调节性，扩大适用人群，降低服装成本。

5.1.2 性能测试需要完善

由于压力服装结构复杂、微重力模拟环境较为苛刻等客观因素，现有相关文献中招募的受试者数量较少，样本个体差异较大，测试结果普适性略低，地面测试模拟环境与真实航天环境也存在一定差距。同时，随着航天员在轨时间的增加，对应地面模拟的时间要求也随之增加，加大了实验操作的难度。针对上述问题，可考虑借助计算机仿真技术模拟特因环境对人体造成的影响，利用可行性较高的实验验证模型的准确性，充分发挥科技发展带来的优势。

在评估压力服装的加载功能性时，现有文献较少探究压力服装之间的作用效果差异，大多数对照组会选择未穿着压力服，难以对比现有对抗措施之间的特点。为更好地促进功能服装发展，应考虑增加不同压力服装间的横向对比。在力学材料的基础上，积极引入热、电、声、光等主动响应材料，完善并扩展压力服装的服用感受。

此外，关于服装热湿舒适性的定量评价研究较少。应用暖体假人装置或建立热学模型仿真分析，均能客观评价热湿舒适性。通过在体实验测量人体着装前后的皮肤温度和出汗量等生理参数，定量分析服装压力和上述指标的数学关系，为探究穿着热湿舒适性提供依据。

5.2 发展趋势

5.2.1 材料工艺

现有压力服装的研发关键在于增强力学载荷元件的性能。对于拉力加压型压力服装，弹性材料发生应变后所能提供的载荷必须是恒定和持久的，准确的弹性模量和较低的应力松弛是未来研发的关键。对于气体加压型压力服装，在保证良好气密性的同时，必须考虑透湿导热等穿着舒适性。形状记忆材料和柔性传感设备等智能材料，在控制服装结构和反馈服装性能方面具有较大的潜力，可以扩展压力服装的功能性，同时为航天员的安全与健康提供更有力的保障。

5.2.2 评价体系

现有压力服装评价以“服装性能-服装与人体作用-人体生理参数”为发展趋势，更加注重压力服装对人体引起的生理适应变化，通过评估多个系统的交互作用探究内在机制。由于测试环境复杂和实验周期较长等限制，现有测试难以做到全面和完善。影像医学的快速发展为了解肌肉骨骼系统提供了更直观的手段，仿真模拟技术为生理参数的评价提供了更多可能。结合智能传感设备进行实时评估，利用机器学习算法完善测试结果，可为服装设计提供更加详细准确的参考资料。

5.2.3 技术转化

航天技术向民用转化是大势所趋，如治疗脑瘫患者的Adeli套装则是由企鹅服转化而来。压力服装的作用原理是向处于机械刺激不足环境中的人体施加载荷，地球上也存在相似低负荷环境，如卧床状态。卧床状态使得人体垂直轴方向难以获得力学刺激，此外，卧床患者的自身疾病会造成其自主运动困难，活动量减少，这些因素同样会导致患者骨质流失和肌肉萎缩。针对这些患者开发相关重力加载服装，可扩充医疗设备的可选择性，为患者的康复提供更有效的治疗。

目前我国载人航天战略正向空间站时代迈进，长期微重力环境对航天员造成的不良影响仍是我们需要攻克的难题。空间站现用压力服装仍存在重力加载量不足、穿着舒适性不佳等问题，研究者们也正尝试利用材料拉力或气体压力等原理，结合多学科技术改进压力服装功效。相信未来随着材料工艺的改进和创新，评价技术的智能化和有效化，更加贴合航天员需求的重力加载压力服装将为载人航天技术提供更坚实的保障。航天技术转化也会为地球家园的患者提供更好的康复条件，为日后实现月球、火星探索，甚至太空旅行带来希望。

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