Человеческая опорно-двигательная система эволюционировала под действием земного притяжения. В условиях космоса антигравитационные мышцы (камбаловидная, квадрицепсы) быстро атрофируются, а кости теряют плотность со скоростью 1–2% в месяц. Даже при двух часах ежедневных тренировок на МКС астронавты могут потерять до 16% мышечной массы за короткие миссии, а полное восстановление костей после возвращения занимает два-три года.
Проблема усугубляется радиацией (50–100 мЗв за шестимесячную миссию против 6,2 мЗв в год на Земле) и психосоциальными стрессорами, повышающими кортизол, что еще больше ускоряет деградацию мышц и костей.
Текущие средства противодействия — тренажеры и беговые дорожки — помогают, но остаются ресурсоемкими. Они весят сотни килограммов, требуют отдельного места и даже вызывали травмы (например, растяжения плеча и спины). Но главное — они непрактичны для будущих миссий, где каждый килограмм полезной нагрузки стоит больше $1,7 тыс. за запуск. Британские ученые из Имперского колледжа Лондона подготовили научный обзор, предлагающий решение этой проблемы.
Авторы материала описали новые носимые технологии. Пассивные костюмы, такие как Gravity Loading Countermeasure Skinsuit (GLCS), используют эластичные ткани для имитации гравитации, уменьшая удлинение позвоночника и боли в спине. Однако они ограничивают движения и неудобны при длительном ношении. Более новые активные системы, такие как V2Suit (Variable Vector Countermeasure Suit), включают инерциальные измерительные блоки и гироскопы для создания динамического сопротивления. Но особенно перспективны мягкие экзоскелеты (soft exosuits) из текстиля с кабельными или пневматическими приводами — легкие, почти незаметные и энергоэффективные.
В микрогравитации приводы больше не должны бороться с гравитацией, поэтому даже умеренные усилия могут обеспечить значимое сопротивление. Это разрывает порочный круг, когда тяжелые приводы требуют больших батарей, которые добавляют еще больше веса». Обзор сравнивает различные типы приводов — от электродвигателей до приводов на основе диэлектрических эластомеров — оценивая их пригодность для космической среды с радиацией, перепадами температур и вакуумом
Не менее важны и носимые датчики: текстильные сенсоры деформации (на основе жидкого металла или углеродных композитов), рукава для высокоплотной электромиографии и даже гибкие транзисторные матрицы.
«Умный костюм мог бы обнаружить, что плечевой сустав испытывает аномальное давление со стороны жесткого туловища скафандра, и затем изменить собственную жесткость или предупредить астронавта до того, как разовьется травма», — пояснил соавтор работы доктор Санам Хан.
В сочетании с интерфейсами «мозг–компьютер» и айтрекингом такие системы могут обеспечить интуитивное управление экзоскелетом.
Остаются серьезные вызовы: радиация может разрушать электронику (нужны радиационно-стойкие компоненты, еще не миниатюризированные для носимых устройств), микрогравитация искажает работу инерциальных датчиков (требуются новые алгоритмы), и, как показал опыт GLCS, костюм должен быть удобным и психологически приемлемым.
«Проектирование, ориентированное на пользователя, — не второстепенная задача, а ключевое требование», — подчеркнул соавтор доктор Сэнджив Варгезе.
Авторы призывают к междисциплинарному подходу: новые материалы (например, нитрид бора для радиационной защиты), цифровые двойники опорно-двигательной системы и адаптивные контроллеры на основе ИИ.
«Мы представляем будущее, в котором каждодневные движения астронавта — даже сон — непрерывно оптимизируются для сохранения мышц и костей. И те же технологии, которые обеспечат дальние космические миссии, преобразуют реабилитацию для стареющего населения и людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата здесь, на Земле», — резюмировал профессор Дино Фарина.
Исследование опубликовано в научном журнале Cyborg and Bionic Systems.
Ранее Наука Mail рассказывала о пределе атрофии мышц в невесомости.
