航天领域,是人类探索浩瀚宇宙、展现科技力量的前沿阵地,也是国家安全和实力的重要组成部分。现代航天器的智能水平不断提高,但这些技术无法取代人的直觉、判断和创造性。因此,航天员始终是航天探索的核心与关键。他们在太空中执行任务时,面临着独特的生理和心理挑战。而应对这些挑战,正需要我们不断探索新的解决方案。
(图源《知识就是力量》杂志)
生理的考验
失重,是载人航天任务中最关键的环境因素之一。它会让航天员处于飘浮状态,没办法“脚踏实地”地生活和工作。同时,长期处于这种环境中,航天员体内的液体会向头部转移,那些在地球重力环境下形成的感官刺激会减少,导致与之相关的身体部位出现逆向变化。
这种环境可能会引发一系列失重生理问题,包括骨质疏松、肌肉萎缩和耐力下降等,在一定程度上损害航天员的身体健康。
航天员正在天和核心舱中锻炼(视频截图)(供图 / 中国载人航天工程办公室)
与失重抗衡
为了缓解失重带来的健康负面影响,进行体育锻炼是一种极有效的手段。在空间站中,跑步机、自行车功量计和抗阻力训练设备,是维护航天员健康的3种关键装备;而套带、企鹅服、拉力器和下体负压设备,则作为重要的辅助工具。然而,这些锻炼设备不能为屈肌(能减少关节两侧骨骼之间角度的肌肉)提供力量刺激,并且大部分设备体积庞大、质量大,使得发射成本高昂。
在航天员空间站行走和位置保持方面,目前主要采用勒系式的固定方式。现用的辅助装置,主要为扶手、脚限制器、绑带等。这些舱内辅助装置的位置相对固定,且调节性有限。在执行舱内任务时,航天员可能会被迫采取不自然的受力姿势,容易导致相关肌肉的疲劳。因此,根据航天员行走、锻炼需求提出新的锻炼方法,并发明相应的装备,是非常迫切的需求。
航天员正在辅助固定装置的帮助下进行日常锻炼(图源《知识就是力量》杂志)
在太空“飞檐走壁”
在自然界,许多生物都拥有在墙面和天花板上附着及移动的能力,如壁虎、苍蝇、蚊子、蜘蛛等。这要归功于它们特殊的足底刚毛阵列结构。
这些刚毛看上去就像微缩版的牙刷刷毛,整齐地排列着。与墙壁面接触时,会形成足够多的界面实际接触面积。而当接触界面区域的分子距离足够近时,会产生名叫“范德华力”的分子间作用力。众多刚毛接触区域形成的范德华力汇聚后,便能支撑着生物自由地“反重力”漫步。
南京航空航天大学仿生团队从这些自然界的“飞檐走壁”高手身上找到灵感,研制出了仿生黏附鞋。鞋子底部设置有仿壁虎黏附材料,航天员穿上仿生黏附鞋后,可以灵活地固定位置、进行锻炼,缓解在失重环境中易产生的肌肉萎缩和骨矿物质流失等问题。而且,仿生黏附鞋占地空间小,使用过程具有灵活性和趣味性,为航天员的失重生理防护提供了新的装备。
作为太空生活背后的“黑科技”,仿生黏附鞋已成功服役于我国神舟十五、十六、十七号载人飞船,帮助航天员在轨锻炼和工作两不误。
南京航空航天大学仿生团队研制的壁虎仿生黏附鞋(供图 /姬科举)
壁虎仿生黏附鞋,是仿生学在航天领域的一次尝试。科研人员利用科学的视角,发掘自然界生物生存智慧背后的基本科学规律,获得了具有仿生特色的新方法和新技术,助力我国航天事业持续腾飞。
撰文 | 姬科举
责任编辑 | 牛一名 张丽涵
运营编辑 | 张丽涵
❖ 来源:《知识就是力量》杂志