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综述 抗阻训练对微重力环境下骨丢失防护的研究进展范益铭，王耀东，杨 昕，胡婧琪，侯莉娟（北京师范大学体育与运动学院，北京；中国矿业大学体育部，北京）摘要：空间站特殊的微重力环境可以为基础科学研究和技术开发提供平台，但也会导致航天员出现骨密度下降和骨脆性增加等骨丢失问题。抗阻训练被证实能够有效防护骨丢失，国际空间站 年投入使用了新型抗阻训练器械（），可供航天员完成 余种抗阻训练动作，最大负载为 （），为航天员通过运动防护骨丢失提供了锻炼平台。在梳理人体骨骼系统微重力环境下发生的适应性变化的基础上，对 的结构功能，以及基于 的抗阻训练方案等国际空间站防护骨丢失的设备和相关研究进行综述，为中国空间站未来的运动装备设计、航天员抗阻训练方案制定提供参考。关键词：微重力环境；新型抗阻训练器械；抗阻训练；运动防护；骨丢失中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）第一作者：范益铭，男，硕士研究生，研究方向为运动人体科学。：通讯作者：侯莉娟，女，博士，教授，研究方向为运动人体科学。：，（，；，）：，（）（），：；第 卷 第 期 年 月 载 人 航 天 引言 自 年，中国实施载人航天工程至今的 年时间里，已经完成了航天员出舱活动和空间交会对接，接下来的工作将是开展更大规模的空间科学实验，实现航天员不间断在轨驻留和训练。航天员进入空间站工作和生活，微重力环境将引起神经系统结构功能紊乱、心血管功能失调和肌肉萎缩等一系列生理问题。短期或长期暴露于微重力环境下引起的生理机能退化，一般可在返回地面 左右恢复，但长期太空飞行导致的骨矿物质流失和骨强度的下降却需要长达 年才能回到飞行前的水平。微重力环境导致的骨丢失问题可以通过运动来改善。模拟失重条件下的研究已表明运动所带来的益处，并进一步证实营养补充和中药摄入在骨丢失防护中的重要作用。目前中国空间站已建成，航天员长期在轨驻留和未来建立月球科研基地任务，需要制定更加完备的骨丢失防护策略。现有研究表明相比有氧运动，大重量、高强度的抗阻训练对促进骨骼生长效果更好。目前中国空间站内采用的运动设备为弹力带、握力器、太空跑台、自行车和飞轮抗阻力锻炼装置，还不能够满足进行高强度抗阻训练的需求。国际空间站曾在 年设计并投入使用了一台高级抗阻训练器械（，），对中国空间站抗阻运动设备研发和运动方案设计具有一定启发意义，其能够提供最大 （）的阻力负荷，并装有飞轮组件，模拟地面 环境下使用自由重物锻炼时的惯性力变化。近年来，驻留国际空间站航天员均使用 进行抗阻训练并加入到在轨日常生活中，已经探索出一系列减少骨丢失的运动方案和防护对策。借鉴国外现有研究成果，本文首先总结微重力环境特点和人体骨骼在微重力环境下的适应性变化，其次介绍国际空间站高级抗阻训练器械 结构功能和使用方法，最后 对 现 有 的 防护骨丢失对策进行了概述。微重力环境人体骨骼系统的适应性变化 空间站的微重力环境特点 重力是由地球吸引力产生的力，可用加速度来表示，地球表面的加速度为 。当物体所受重力加速度远小于 时，称之为处于微重力环境。空间站重力加速度约为地球表面的，由于其以极高速度绕地球飞行，产生的离心力与地球引力相平衡，导致空间站及其中的物体以相同速度运动且互相没有作用力，表现出失重状态。微重力环境下对流、沉降、浮力和流体静压力等物理现象几乎消失，难以相溶的液体能够相溶，无容器加工过程能够实现、利用这些特点，可以进行无法在地面进行的实验，推动科学技术进步，创造经济价值。微重力环境同样会对人体生理机能造成影响，当航天员进入空间站，体液重新分布，血浆容量在 内快速减少，晕动症在最初 内出现，周全身各部位肌肉出现不同程度萎缩。为了应对微重力环境引起的生理机能退化，航天员进入空间站需要采取各种防护措施，如使用下体负压装置、穿戴企鹅服、服用药物和进行运动等。微重力环境下的骨丢失 骨骼在人体中起到支持体重、保护脏器和运动等功能，由成骨细胞和破骨细胞协同作用完成新陈代谢。正常情况下，旧骨的分解吸收和新骨的形成保持着动态的平衡，但在微重力环境下，骨骼不再受到日常的重力负荷影响，成骨细胞中的细胞骨架发生解聚、细胞核形态改变，破骨细胞表现出更快速地分化和成熟，使原有的平衡被打破，新骨形成减少，骨吸收增加，表现为骨量和骨强度的下降、骨小梁厚度和数量减少。航天员在空间站的工作和生活，面临着骨丢失的风险，早期 等对和平号空间站 名航天员飞行前后骨密度（，）的测量显示，持续 个月的太空飞行，全身 将以每月 的速度下降，发生在身体承重区域，如脊柱部位每月下降 、髋部每月下降 ，而非承重部位如上肢 每月下降只有 。当骨量下降到有创伤性载 人 航 天第 卷骨折危险时，这种情况被称为骨质疏松症。长期在轨飞行增加了航天员返回地球后的骨折风险。等对国际空间站 名航天员的研究显示，暴露于微重力环境 个月，胫骨强度下降，骨小梁厚度下降 。下降，还会伴随着血液和尿液中钙浓度增加，使航天员承受肌肉痉挛、心律失常和肾结石等健康风险，这些健康问题由骨骼力学刺激减少、激素变化、营养和情绪等多方面因素共同影响产生。为了应对微重力引起的骨丢失和由此引发的一系列问题，运动作为一种有效的措施已被广泛地进行应用和研究。等对比了卧床休息同时进行抗阻训练，和单纯卧床休息两组 周前后的骨密度，与没有运动的卧床休息对照组相比，实验组的髋部、腿部和足部 更高。但从空间站上的研究来看，微重力环境下航天员利用运动对抗 下降，并没有达到理想效果，骨量下降还是存在，为此，在运动的基础上，国际空间站近几年还对在轨航天员进行了药物和营养干预。在一项美国航空航天局和日本宇宙航空研究开发机构合作的项目中，对平均 个月太空飞行的 名航天员进行了每周 阿仑膦酸钠的补充，并保证每周 的有氧和抗阻运动，相比未补充药物的对照组，实验组 下降更小；等对 名航天员的研究还证明，太空飞行中每天额外补充 维生素，并保证充足的能量摄入，再配合抗阻训练，可以改善身体大部分骨骼的 下降。微重力导致的骨骼退化，需要一个漫长的恢复过程，等对 名航天员飞行前后的骨密度、结构和强度进行扫描，结果显示，平均 太空飞行导致的骨密度下降在返回地球 个月后仍不能完全恢复。抗阻训练的微重力防护 为了帮助航天员更好地在微重力环境下完成抗阻训练，国际空间站于 年 月将 投入使用，这是一台多功能抗阻训练器械，取代了 年 月投入使用的临时抗阻训练器械（，）。的结构和力学特征 主体结构由真空气缸与飞轮组件、主臂组件、主臂底座组件、绳索与滑轮组件和平台 个部分组成（图）。国际空间站还为航天员配备了可与 同时使用的长凳和垫块，增加了阻力训练动作的多样性。套真空气缸是阻力的来源。将其内部的活塞杆推至气缸顶端，封闭顶部气阀，形成密封状态，制造真空，气缸外部气压为大气压力时，向外拉动活塞杆远离真空密封的气缸顶部，产生阻力，使航天员在失重条件下最高承受 （）的负荷。图 结构和运动模式 飞轮组件主要是模拟 环境下的惯性力。飞轮通过齿轮和齿条与活塞杆相连接。当活塞杆运动，可带动飞轮旋转，产生的惯性力可再传导回活塞杆，进而产生阻力的变化。训练者在微重力环境使用 时，感受到与 环境类似的物体移动产生的惯性力变化。飞轮组件与气缸活塞第 期 范益铭，等 抗阻训练对微重力环境下骨丢失防护的研究进展杆间的连接可手动分离，使训练者可以根据自己的喜好决定是否使用惯性模拟。气缸外侧框架下部与主臂组件相连接，连接点作为支点，形成杠杆结构，同时主臂组件还设置了上止动装置，即在主臂向下撬出活塞杆后可将其止动，目的是为了使运动者能够以站立姿势作为起始，进行下蹲或提踵训练。转动主臂底座组件上的负荷调节把手可以更改阻力。主臂组件一端为杠铃杆，通过调节升降臂设置其与底部平台距离，范围为 。航天员采用杠铃杆训练，最大活动范围为 ，若 采 用 绳 索 最 大 活 动 范 围 为。国际空间站原有的 最高仅能提供 的负荷，无法记录航天员运动数据，且经常出现故障需要维修，填补了以往设备的不足，具有更长的使用寿命能够提供更大的阻力负荷完成更多样的抗阻训练动作，满足航天员在空间站的健身需求，为长期太空飞行提供可靠保障。的使用方法 在国际空间站，航天员可以利用 杠铃杆或绳索完成 余种抗阻训练。当使用杠铃杆进行锻炼时，航天员可选择站在 平台上，调节升降臂并使用上止动装置，将杠铃杆置于肩上，进行多种深蹲动作练习，完成对下肢肌群的锻炼，动作包括颈前深蹲、颈后深蹲、单腿深蹲等；站姿情况也可将垫块至于前脚掌下，进行提踵动作练习；将杠铃杆调节至髋关节高度，可进行二头弯举、直立划船和杠铃耸肩动作，进行上肢肌肉和肩部肌肉锻炼；将杠铃杆调节至膝关节高度时，可进行多种硬拉动作，包括传统硬拉、相扑硬拉、罗马尼亚硬拉等，同时也能进行俯身划船锻炼背部肌群；如配合使用长凳，以仰卧位可进行各种卧推动作，以坐姿可进行肩上推举动作。当使用绳索进行锻炼，可在绳索末端连接短杆或双头绳索等辅助工具，进行多种动作练习，如训练者采取站姿，可单手持绳索进行单臂侧平举，也可双手持双头绳索或短杆，进行俯身划船、直立划船、二头弯举等动作，针对下肢肌群，还可进行各种硬拉动作，包括传统硬拉、相扑硬拉、罗马尼亚硬拉等，以上皆为站姿手持绳索训练方式。如改为将绳索固定于足部，还可进行髋外展、髋内收、髋屈伸等动作；绳索练习时，也可使用长凳进行仰卧臂屈伸、卷腹，或以坐姿进行俯身侧平举、腕弯举等。对微重力防护的应用 国际空间站 的运动方案 国际空间站的航天员每周被安排进行 的抗阻训练，每天 。但由于收放器械、更换衣物和清理卫生等需要花费时间，所以每次实际运动时间少于 。、和 都各自成立了小组，为每名航天员安排运动计划，并监测其生理健康情况。各机构在制定抗阻运动计划方面，有一定的区别，但基本都参考了 的标准化方案，如图 所示。图 不同在轨飞行时期 负荷设定 的 抗阻运动方案划分了 种动作组合，每次训练完成一组内的所有动作，在整个训练期内将 组依次循环。运动时的负荷同样划分为 种，高强度、中等强度和低强度。高强度被规定为以某种动作仅能重复 次的质量，即（）质量训练，每组 次，共做 组。中等强度以 质量训练，每组 次，共做 组；低强度以 质量训练，每组 次，共做 组，不同 值于飞行前测定。对于下蹲和提踵动作，在训练时所有阻力负荷都加入了航天员体重，以补偿微重力环境导致的下肢负重减小。最初飞行的 周时间，从 的不同 质量开始，即高强度选择质量为 ，中等强度 ，低强度 ，以适应微重力环境下的运动。之后每周负重增加，直到航天员在轨达到 个月，再重新测定新的 值。每种动作组合，都以高、中和低强度训练方式循环，即在完成一次高强度（）训练载 人 航 天第 卷后，下次使用中等强度（）训练。和 的抗阻训练方案基本参照 的进行，主要区别在于，日本航天员的训练被安排为隔日进行，周 次，以避免肌肉的过度损伤；加拿大航天员最初负荷设置为 的不同 质量，略低于 的，而后期负荷增加为每 周增加。的运动方案设置了 种动作组合，每种组合包括 个不同动作，一次循环后可完成对全身主要肌群的训练。在以 为一周期的训练中，种组合循环进行，没有休息日。负荷方式有 种，为每组动作重复、和 次，同样在整个训练期内循环进行。增加运动负荷依靠增加组数完成，航天员太空飞行的最初两周采取低负荷方式训练，即较少的组数，以适应如何在微重力环境下使用，接下来每 周系统地增加运动负荷。所有国际空间站航天员采用的抗阻训练方案，都遵循了循序渐进的原则，由最初的低负荷开始，以适应微重力环境下特殊的运动方式；每个训练日的动作组成同时包含了对上肢和下肢的训练，使得航天员全身大部分肌肉和骨骼能够每天承受负荷刺激，这种安排有利于航天员在微重力环境中维持肌肉量和骨密度。对骨丢失的防护效果 骨骼受到机械负荷刺激，能够产生适应性反应，增加骨形成，抑制骨吸收。有氧运动在微重力环境下发挥的刺激作用已经不能满足骨生长的需求，而 能够提供最高 负荷，允许航天员进行多种动作的高强度抗阻训练，使骨骼承受不同方向上的机械力刺激，达到维持骨密度和骨强度的目标。等对国际空间站飞行时长在 的 名航天员进行了骨密度测量，结果表明，使用 进行抗阻训练的女性，在 太 空 飞 行 前 后 的 全 身 骨 密 度 均 为 ，无显著性差异（）；而使用 的女性太空飞行前全身骨密度为 ，飞行后为 ，具有显著性差异（）。等研究表明，在 个月太空飞行期间使用 进行抗阻运动后，腰椎骨密度下降 ，股骨、颈骨密度下降 ，而 改进运动方案采用 进行抗阻训练后，腰椎骨和股骨颈骨密度仅下降 。为进一步改善微重力环境下的骨骼退化问题，等对 名执行长期太空飞行任务航天员每天额外补充 维生素，并保持充足的能量摄入，再分别利用 和 完成基本抗阻训练。结果显示，名使用 训练的航天员太空飞行前全身骨密度为 ，飞行后为 ，下降；名使用 训练的航天员太空飞行前全身骨密度为 ，飞行后为 ，无显著性变化。对比来看，使用 带来的骨骼防护效益更佳，但航天员生化指标结果显示，血液和尿液中钙含量依然很高，这增加了心律失常和患尿路结石的风险。为了应对钙排泄增加带来的问题，等尝试在 名航天员使用 进行抗阻训练同时，每周额外补充 阿仑膦酸钠，以对抗骨吸收的增加。前后航天员的血液和尿液分析结果显示，骨吸收标志物、钙和草酸盐等显著减少，其中尿钙含量变化明显。阿仑膦酸钠组太空飞行前为 ，飞行后为 ，而对照组飞行前为 ，飞行后为 ，这表明抗阻训练同时补充抗骨吸收药物，对降低尿路结石和心律失常等问题有一定的防范效应。结语 太空飞行中，运动伴随着航天员的整个航天旅程，以应对生理机能退化。骨丢失是微重力环境导致的一种严重健康问题，模拟微重力下的动物研究，已经证实了抗阻训练对防止骨质流失的益处。国际空间站相继投入使用太空自行车、跑台、和，使航天员能够进行高强度、多样化的抗阻训练，维持骨骼肌健康。目前国内外研究人员针对微重力环境特点设计研发了多种抗阻训练设备。但如何建立更科学合理的运动方案，如何在目前 的基础上，设计出更适合中国航天员使用的抗阻器械，还需进一步探索和研究。在应对太空飞行所导致的骨丢失问题方面，航天员在利用 运动同时，还应保证充足的营养摄入和补充对抗骨吸收的药物，才能全面有效降低骨骼退化的风险。在未来更长时间的太空飞行前，仍有必要设计和研发更有效益的第 期 范益铭，等 抗阻训练对微重力环境下骨丢失防护的研究进展抗阻训练器械。设计过程应考虑到中国空间站内器械摆放的具体情况和航天员的身体形态，根据个体差异优化营养摄入，制定个性化的运动方案和更完备的骨丢失防护对策，以保障航天员的健康安全。参考文献（）景海鹏，辛景民，胡伟，等 空间站：迈向太空的人类探索 自动化学报，（）：，：，（）：（）周建平 中国空间站工程总体构想 载人航天，（）：，（）：（）陈善广，陈金盾，姜国华，等 我国载人航天成就与空间站建 设 航 天 医 学 与 医 学 工 程，（）：，（）：（）李剑，邹雪梅，王成 空间站运行控制任务规划体系方案研究 载人航天，（）：，（）：（）冯林音 微重力对神经系统结构和机能的影响 空间科学学报，：，：（）万玉民，李莹辉，白延强，等 国外航天医学研究的回顾与启示 载人航天，（）：，（）：（），（）：刘玉盛，吴斌，费军，等 运动锻炼对头低位卧床所致承重骨丢失的影响 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