太空實驗如何完成？航天員有哪些醫療“護航神器”？一文了解“太空出差”
時間：2023-08-19 20:00:15
央視新聞客戶端消息 太空探索，步履不停。中國載人航天工程自1992年立項實施，已有4000余項成果廣泛應用于國家各行各業。目前，國家太空實驗室已正式運行，截至目前中國空間站在軌實施了哪些空間科學研究與應用項目？太空實驗是怎樣完成的？在哪里完成的？在中國空間站應用成果方面，對空間生命科學的探索是焦點之一，在這里，航天員是重要參與者。太空出差半年，在軌期間航天員有哪些醫療“護航神器”？失重環境下，航天員如何對抗“空間適應綜合征”？航天員是如何在空間站里進行細胞實驗的？
(相關資料圖)
在8月18日下午舉行的載人航天工程空間應用與發展情況介紹會上，相關負責人介紹了整體情況。
國家太空實驗室正式運行 學科覆蓋全面
中國載人航天工程新聞發言人 林西強：我們建立了獨具中國特色的近地空間科學與應用體系，建成了功能完善、性能國際先進的國家太空實驗室研究平臺，學科覆蓋全面。中國空間站艙內25個科學實驗機柜與一系列艙外設施接口，能夠支持空間生命科學與生物技術、空間天文與天體物理等諸多學科方向的研究與應用，每一個實驗柜或艙外設施都可以說是一個綜合實驗室。
林西強介紹，截至目前，空間站已安排在軌實施了110個空間科學研究與應用項目，涉及空間生命科學與人體研究、微重力物理和空間新技術領域，獲得原始實驗數據近100TB，下行了近300個實驗樣品，部分項目已取得階段性應用成果。
在空間生命科學領域，實現了水稻“從種子到種子”的全壽命周期培養，在功能基因調控方面的發現有望促進地面新品種水稻株系培育和高產增收；在人體研究領域（航天醫學實驗領域），開展了長期航天飛行條件下失重、輻射等復合因素對航天員健康、行為與能力的影響等原創性機理探索和應用基礎研究，在人體心血管、骨骼等方面獲得了航天醫學新發現，發展了航天員健康維護新方法新技術；在空間材料科學領域，首次獲得殼核結構組織相分離合金材料，有望為航空航天、核電等行業有關相分離合金材料研發提供理論和技術支撐；在空間新技術領域，空間高效自由活塞斯特林熱電轉換試驗相關效率指標達到國際先進水平，為未來載人月球探測與深空探測任務積累了技術基礎。
太空實驗如何完成？在哪里完成？
太空實驗是怎么完成的？在哪里完成的呢？目前，中國空間站組合體由天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙和神舟十六號載人飛船、天舟五號貨運飛船、天舟六號貨運飛船組成“三艙三船”全新構型。
這是天和全景攝像機拍攝到的核心艙與機械臂的同框畫面，艙外攝像機拍攝到的神舟十六號載人飛船，停泊在核心艙節點艙的徑向對接端口。
中國空間站取得豐富科技成果，離不開“三艙”中的兩個實驗艙。問天實驗艙是中國空間站的首個科學實驗艙，由工作艙、氣閘艙和資源艙組成，起飛重量約23噸。問天實驗艙主要面向空間生命科學研究，配置了生命生態、生物技術和變重力科學等實驗柜，同時可作為天和核心艙的備份，對空間站進行管理。
夢天實驗艙是中國空間站的第二個科學實驗艙，由工作艙、載荷艙、貨物氣閘艙和資源艙組成，參與空間站組合體管理，貨物氣閘艙可支持貨物自動進出艙。它主要面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學等多學科方向的實驗柜。
太空實驗室全能多面手：航天基礎試驗機柜
中國空間站已安排在軌實施了110個空間科學研究與應用項目。在這些科學實驗中，有一部分實驗必須要用到一個重要的試驗設備，叫“航天基礎試驗機柜”。
如果把空間站比作一個國家級的太空實驗室，那么位于夢天實驗艙的航天基礎試驗機柜，就是一個處在空間站當中的小型試驗平臺。機柜高約2米、寬約1米，設計壽命為15年。機柜最多可以容納13個載荷，首次任務中搭載了5個技術實驗項目，其中多個項目是國際首次在軌進行。目前，機柜狀態良好，在首批實驗項目完成后，還將持續進行各類航天技術試驗。
太空出差半年 航天員有哪些醫療“護航神器”？
中國空間站從建造階段開始，就有序開展空間生命科學實驗研究。在中國空間站應用成果中，空間生命科學方面的探索受到重點關注。在這個過程中，航天員是空間科學研究和實驗的重要參與者。目前，航天員“太空出差”一般要持續半年左右，在軌期間，他們非常重要的一項工作就是時常關注自己的身體狀況，空間站太空醫學診療設備就是為此研制的。太空出差一去就是半年，航天員有哪些醫療“護航神器”？
從進入載人飛船起，航天員中心醫監醫保團隊就開始關注航天員的身體狀況。通過與飛船連接的穿戴式監測裝備，地面科技人員可以及時掌握航天員任務期間的心率、體溫、血壓、呼吸等重要身體指標。
中國航天員科研訓練中心助理研究員 軒永：這是背心，采集模塊跟背心配合，負責信息的采集處理，儲存模塊負責存儲，比如在返回過程中，飛船進入黑障，信息中斷的時候，通過它來把信息數據存儲下來，方便地面進行分析。
進駐空間站后，需要掌握的航天員身體數據從4項增加到了17項之多，如果按照地面標準，這些設備會占用大量空間。因此，在空間站使用的醫學診療設備必須能夠滿足小型化、集成化的要求，才能節省寶貴的在軌空間，并有效為航天員提供服務。
中國航天員科研訓練中心助理研究員 軒永：我們做了一個高度集成化的設計，這個就是我們的12導心電儀，它集成了常規的12導心電、運動心電、心電holter（動態心電圖）、急救心電4種設備，通過集成化設計，集成到這么一個小型化設備上來。
中國傳統醫學的在軌應用是航天醫學科學體系的重要組成部分，通過太空中醫診療設備終端，中醫經典的“望、聞、問、切”診療手段，在中國人的“太空家園”得到實現。
中國航天員科研訓練中心助理研究員 軒永：通過面窗，可以采集到面相舌相，通過脈象采集單元，可以采集到脈搏，通過軟件，我們設置了一個問診量表，就可以實現我們的“問”。
目前空間站上使用的太空醫學診療設備，都是依照空間站運行壽命來設計的，隨著空間站應用發展不斷推進，技術團隊也將不斷對在軌太空醫學診療設備進行升級和迭代。
失重環境航天員如何對抗“空間適應綜合征”？
人類進入空間失重環境后，機體會發生“空間適應綜合征”，包括持續發生的骨代謝失衡和肌肉萎縮，這是航天員面臨的重要挑戰之一。為了保證航天員長期在軌工作，航天員科研訓練中心做了大量科研工作，不斷更新技術設備。那么失重環境下航天員如何對抗“空間適應綜合征”呢？
航天員骨質丟失是失重生理效應之一。正常造骨需要骨膜接受重力和其他機械刺激。失重時骨膜失去重力刺激，造成骨質疏松，尿鈣、糞鈣排出量增加，骨骼脫鈣，骨密度下降。
中國航天員科研訓練中心研究員 中國載人航天工程航天員系統副總設計師 李瑩輝：由于沒有重力，會導致隨著時間延長，肌肉萎縮、骨骼丟失、骨鈣質流失的問題越來越嚴重。所以為了確保航天員健康，我們一直在不斷發展有效的防護對抗措施。從這幾次飛行狀態來看，措施還是非常有效的，他們的體力，包括對重力再適應的能力都在不斷增強。
中國航天員科研訓練中心基于骨液流震動原理研發了骨丟失對抗儀，通過在軌對骨液流的震動刺激，引發細胞相互作用，達到對抗骨丟失的目的。
中國航天員科研訓練中心副研究員 張洪玉：這個設備主要基于高頻、低幅、短時的力負荷刺激，增強骨內細胞的活性。放在小腿脛骨，對它進行力學刺激，提高骨內營養分子流動，提高成骨細胞活性，來達到增加骨質骨量的目的。對機體脛骨位置擊打，對整個下肢機體都是一種保護。
我們常說“骨肉相連”，人在太空中失去重力束縛后，不光會出現骨丟失的情況，肌肉萎縮也會隨之而來。通過高精度掃描，科研人員可以對航天員的下肢進行三維建模，準確掌握航天員下肢肌肉變化情況。
航天員科研訓練中心研究發現，與肌肉相連的結締組織的剛度、硬度，對于航天員肌肉力量的維持也非常重要，并首次獲取了航天員跟腱形態隨著太空飛行時間的發展變化特征。
經過長期空間飛行，航天員的跟腱將會變得更細、更容易拉伸，這對肌肉力量的傳遞、存儲、釋放的效率都會造成影響。對此，在科研人員的針對性指導下，航天員通過大復合抗阻力運動，使得肌肉、筋膜、跟腱等各個組織都得到全面有效的鍛煉。
中國航天員科研訓練中心研究員 李志利：我們建立了失重狀態下的運動生物力學仿真模型，反推出航天員在軌鍛煉時候的肌肉的用力程度，這樣就知道整個運動過程中每塊肌肉的用力特征，對于分析肌肉的萎縮以及指導航天員鍛煉有很好的意義。
航天員如何在空間站里進行細胞實驗？
航天員進入空間站之后，做的第一個實驗就是細胞研究實驗，目前，我國已在軌實施了多個航天醫學細胞學實驗項目，不僅為航天員的身體健康防護提供了重要的研究平臺，也可為大眾健康作出貢獻。航天員如何在空間站里進行細胞實驗呢？
中國航天員科研訓練中心研究員 譚映軍：航天員葉光富手上的這個模塊就是細胞實驗單元。它包括細胞培養樣本，我們能夠自動取樣，固定這一套完整的試劑，都集成在這一個小小的方盒里。細胞培養單元隨航天員上天以后，需要安裝在核心艙的培養裝置里開展實驗，我們一次能夠安裝13個這樣的實驗單元。這個培養裝置是一個自動化培養裝置，能夠自主建立滿足航天一些實驗需求的培養環境，包括溫度和二氧化碳的濃度，這個設備集成了一個重力對照系統，能夠在天上實驗期間建立一個0—2G的人工重力環境，滿足空間重力對照的實驗需求，同時我們還集成了一套在線樣本顯微觀察記錄裝置，能夠在實驗期間自動記錄樣本的實驗情況。
目前我國將人多能干細胞來源心肌細胞、皮膚干細胞、成骨細胞、人骨骼肌衛星細胞等細胞和人工血管芯片送上太空，在軌開展了微重力誘導心血管紊亂的細胞學機制及其防護藥物篩選、空間微重力環境下皮膚干細胞的生物學效應與分子機制等細胞學實驗研究。
中國航天員科研訓練中心副研究員 王春艷：視頻中，航天員張陸在神舟十五號任務中在軌進行血管器官芯片操作，這個芯片是我國自主獨立研制的，在神舟十五號任務中，我國第一次在軌實施了器官芯片項目，也是國際首次在軌開展人工血管芯片研究，它也標志著我國成為世界上第2個具備在軌開展器官芯片研究能力的國家。
人工血管芯片研究主要針對航天員長期空間飛行后導致的身體反應，對通過藥物防護等方法幫助航天員保持身體機能、重新適應地球重力環境具有重要意義。同時器官芯片在地面也可以應用于建立疾病模型、進行藥物篩選、評估藥物效果等研究，服務于大眾健康。
