우주에서의 이동

Locomotion in space
STS-116 미션 스페셜리스트, NASA 우주인 로버트 커빔, ESA 우주인 크리스터 푸글상은 국제우주정거장 건설 중 우주선 외 활동(EVA)을 수행한다.

우주에서의 이동은 미소 중력 조건을 가진 환경을 통해 사람의 몸을 움직이기 위해 사용되는 모든 다양한 행동이나 방법을 포함한다.이러한 조건에서의 이동은 지구 중력의 이동과는 다르다.이러한 차이에 기여하는 많은 요소들이 있으며, 그것들은 우주에서 인간의 장기 생존을 연구하는데 매우 중요하다.

저중력에서의 이동의 과제

상세정보 : 우주 의학

인간은 1-G 환경에서 진화했기 때문에 지구의 표준 대기 조건에 익숙하고, 우주의 초중력 환경은 인체와 그 [1]이동에 큰 영향을 미칠 수 있다.

환경 조건

상세정보 : 우주선에 의한 우주노출과 건강위협

우주에서의 환경조건은 혹독하고 생존과 일상활동의 [2]완료를 위해 광범위한 장비가 필요하다.우주인들이 [2]일하는 우주선 안과 밖 모두에서 고려해야 할 많은 환경적 요소들이 있다.이러한 요인에는 무중력 시 이동, 우주에서 목적지로 이동하는 데 필요한 일반 장비, [2][3][4]이동성을 방해하는 우주복과 같은 기어가 포함됩니다.

선외 활동을 할 때,[5] 우주의 진공으로부터 보호하는 것은 중요하다.이러한 가혹한 환경에 노출되면 짧은 시간 내에 사망에 이를 수 있습니다.우주에서 우려되는 주요 환경 요인은 다음과 같습니다.[6]

  • 산소 부족
  • 극도의 압력과 온도차
  • 높은 방사선량

인체에 미치는 영향

주요 기사: 우주 비행이 인체에 미치는 영향

노화 [1][2]및 질병과 유사한 감소된 중력에 대한 장시간 노출의 많은 해로운 영향이 있다.지구에서는 침상 [1]휴식을 이용해 중력 감소의 장기 효과를 시뮬레이션할 수 있다.이러한 영향은 아래에서 일반적으로 논의되지만, 보다 자세한 정보는 "우주 비행이 인체에 미치는 영향" 페이지에서 찾을 수 있습니다.다음과 같은 다양한 효과가 있습니다.[2][7]

  • 근육 위축[8]
  • 디컨디셔닝(예: 동맥 수축, 골밀도[9][10] 손실)
  • 노화 또는 질병과 유사한 증상
  • 머리-방향 유체 이동(부비동/부비동 충혈, 안면 종창)[1]
  • 근육량의[10] 감소
  • 골력 저하 및 골절
  • 피로와 전신력의 저하
  • 운동 제어의[11] 저하
  • 멀미
  • 시력 장애
  • 과도한 팽만감
  • 다른 물리적 효과
  • 심리적 영향

근육량은 6개월의 임무 동안 최대 20%까지 감소할 수 있으며 골밀도는 한 [10]달 만에 고관절에서 약 1.4%의 비율로 감소할 수 있습니다.Fitts와 Trappe에 의해 수행된 연구는 근육 생체 [12]검사를 사용하여 장기간의 우주 비행이 인간의 골격 근육에 미치는 영향을 조사했다.장기 무중력상태는 발바닥 [12]근육과 위근육의 질량, 힘, 그리고 힘의 생산을 크게 감소시키는 것으로 나타났다.이러한 효과에 대한 많은 대책들이 존재하지만, 지금까지 그것들은 우주 여행의 해로운 영향을 보상하기에 충분하지 않고,[13] 우주인들은 지구로 귀환할 때 광범위한 재활이 필요하다.

부정적인 영향을 보상하기 위해 사용되는 기술

미량 중력에 대한 장기간 노출의 부정적인 영향을 보상하기 위해 과학자들은 다양한 성공 정도를 가진 많은 대응 기술을 개발했다.

등을 위한 전기 근육 자극 NMES.

전기 자극

경피 전기 근육 자극(EMS)은 근육 [2][14]활동을 자극하기 위해 전류를 사용하는 것입니다.이 방법은 이론적으로 근육 위축과 쇠약함을 예방하기 위해 사용된다.이 접근법의 효과는 1989년 [2][14]Duovoisin에 의해 수행된 30일간의 침대 휴식 연구에서 테스트되었다.환자들은 자극받은 팔다리 근육 위축의 감소율을 보였지만, 이 방법이 이러한 [2]영향을 반드시 예방할 수 있다는 증거는 없었다.최근에는 2003년 요시다 등이 [2]쥐의 뒷다리 현탁에 관한 연구를 실시했다.이 연구는 뒷다리 서스펜션과 EMS가 [15]사용하지 않음으로 인한 근육 기능 저하를 막는데 어느 정도 성공적이었다는 결론을 내렸다.장기 우주 [16]비행에 대한 대책으로서 이 기술의 적용을 언급하는 몇 가지 과학적 연구가 행해져 왔다.

로딩 슈트

로딩 슈트는 국제우주정거장(ISS)과 같은 우주 정거장 밖의 혹독한 기후에서 생존하는 데 도움이 되는 우주복과 혼동하지 않고 우주에서 뼈에 하중을 가하는 것을 돕기 위해 사용되는 옷이다.

탐험대 43 지휘관이자 NASA의 우주비행사 테리 버츠가 나중에 지구로 돌아올 준비 과정을 위해 특별한 수트를 선보입니다.Virts는 2015년 5월 12일 슈트 목적에 대한 설명과 함께 이 이미지를 트위터에 올렸다: "우리의 "펭귄(-и ( suit)" 슈트는 당신을 압박하고 중력으로 돌아갈 당신의 몸을 준비시킵니다."

핑빈 슈트

핑빈 수트는 우주 비행 중 특정 근육군에 근골격계 하중을 가하여 등 [17]근육의 위축을 방지하도록 고안되었다.이 경량 슈트는 일련의 신축성 있는 밴드가 있어 이러한 수직 [9]하중을 연출할 수 있습니다.상체와 하체를 [9]분리하여 적재합니다.상체는 최대 88파운드(40kg)까지 적재할 수 있습니다.사용자들은 이 수트의 무게가 [18]낮음에도 불구하고 덥고 불편함을 느꼈다.

중력 하중 대책 스키니슈트(GLCS)

GLCS는[19][20][21] 근골격계 디컨디셔닝의 영향을 완화하도록 설계된 의류입니다.그것은 [9]부분적으로 1970년대부터 사용된 러시아 우주복인 핑빈 [22]슈트에서 영감을 받았다.GLCS는 몸에 하중을 가하기 위해 탄성 재료를 사용하여 [9][23]서 있을 때 발생하는 중력 하중을 모방하려고 시도합니다.2009년 [9]초기 설계의 생존 가능성을 평가하기 위해 포물선 비행에서 파일럿 연구가 수행되었다.이 스키니츠는 몸을 가로지르는 하중 구배를 만들어 발의 [9]체중까지 하중을 점차 증가시킵니다.초기 설계의 추가 반복이 개발되어 현재 ESA가 [24]후원하는 연구 프로젝트의 일환으로 ISS에서 현재 슈트의 버전이 테스트되고 있다.

기타 하역복

DYNASUIT는 여러 하위 시스템으로 나눌 수 있는 수트를 포함하는 개념 설계입니다.각 서브시스템은 슈트의 다른 측면을 통제한다.예를 들어, 근육 신호(EMG), 심박수, 심전도, 환기율, 체온, 혈압 및 산소 포화도와 같은 생리학적 반응을 측정하는 바이오 파라미터 서브시스템이 있습니다.또한 신체에 힘을 가하기 위해 전기 활성 고분자(EAP) 또는 공압학을 사용할 것을 제안하는 인공 근육 서브시스템뿐만 아니라 중앙 제어 장치 또는 슈트의 뇌와 동등한 것이 있다.우주인이 우주복과 상호작용하는 것을 돕기 위해 제안된 사용자 인터페이스도 있다.이러한 잠재적 설계는 아직 개발 단계에 있으며 현재 프로토타입을 제작하지 않았습니다.

약리 요법

일반적으로, 인간의 몸이 감소된 중력 조건에서 약을 흡수하는 방법은 이곳 [25]지구에서의 일반적인 흡수 특성과는 크게 다릅니다.게다가, 장기간의 우주 [25]비행의 특정한 부작용에 대항하기 위해 사용되는 다양한 약리학적 또는 약물 치료법이 있다.예를 들어, 덱스트로암페타민은 우주 멀미와 기립성 [26]과민증을 돕기 위해 NASA에 의해 사용되어 왔다.2인산 알렌드로네이트의 사용은 뼈 손실 예방에 도움이 된다고 제안되었지만,[27] 이와 관련하여 도움이 된다는 것을 보여주는 결정적인 증거는 발견되지 않았다.우주 약리학에 대한 자세한 내용은 권장 독서를 참조하십시오.

인공 중력

인공중력(AG)은 인공수단에 [2]의한 물체나 사람에 대한 중력의 증감이다.선형 가속력과 구심력을 포함한 다른 형태의 힘이 이 인공 [2]중력을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

지구에서 시뮬레이션된 미세 중력(예: 침대 휴식)에 대항하기 위해 인공 중력을 사용하는 것은 뼈, 근육 및 심혈관 시스템의 [1][28][29][30]유지에 상반된 결과를 가지고 있는 것으로 나타났다.짧은 팔 원심분리기를 사용하여 장기간의 우주 비행과 [31][32]침대 받침대와 관련된 골격근과 골격 손실을 방지하는 데 도움이 될 수 있는 중력보다 큰 하중 조건을 생성할 수 있습니다.2008년에[7] 카이오조와 아다드가 실시한 파일럿 연구는 두 그룹의 실험 대상자들을 비교했다. 하나는 21일 동안 침대에 누워 있었던 것이고 다른 하나는 하루에 한 시간 동안 인공 중력에 노출되었을 뿐 아니라 침대에 누워 있었던 것이다.그들은 중력을 인위적으로 유도하기 위해 짧은 팔 원심분리기를 사용했다.근육 생검 샘플을 채취한 후, 그들은 인공 중력에 노출된 그룹이 근섬유 [33]단면적 측면에서 심각한 결함을 보이지 않는다는 것을 알아냈다.

비록 이 기술이 장기간의 우주 비행의 해로운 영향을 상쇄하는 데 도움을 줄 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 이러한 인공 중력 시스템을 [1][34]우주에 적용하는 데는 어려움이 있다.우주선 전체를 회전시키는 것은 비용이 많이 들고 설계에 [1]또 다른 복잡성 층을 가져옵니다.작은 원심분리기를 사용하여 간헐적 노출을 제공할 수 있지만, 적절한 인공 중력 생성에 필요한 높은 회전 속도 때문에 작은 원심분리기에서 사용 가능한 운동 활동은 제한된다.피험자는 원심분리기에 [1][35]있는 동안 "불쾌감스러운 전정 및 코리올리 효과"를 경험할 수 있다.

몇몇 연구들은 인공 중력이 특히 다른 [1][7][36][37][38]대책들과 결합된다면 장기간의 우주 비행을 위한 적절한 대책이 될 수 있다고 제안했다.ViGAR (Virtual Gravity Artificial Reality)라는 이름의 개념 디자인은 2005년 코브릭 외 연구진에 의해 제안되었으며, 그것은 장기 우주 비행의 부정적인 영향에 대항하기 위해 인공 중력, 운동 그리고 가상 현실을 결합한 장치를 상세하게 묘사하고 있다.여기에는 원심분리기의 자전거와 통합된 가상현실 시스템이 [13]포함됩니다.

운동 방법

우주인 수니타 L.번지 하네스를 장착한 익스피디션 14 비행 엔지니어 윌리엄스가 국제우주정거장의 즈베즈다 서비스 모듈에서 트레드밀 진동 차단 시스템(TVIS)을 이용해 운동하고 있다.

트레드밀 진동 차단 및 안정화(TVIS)

TVIS는[10][39] 변형된 러닝머신입니다.그것은 운동으로 인한 힘이 국제우주정거장(ISS)으로 전달되는 것을 방지하는 진동 차단 시스템을 포함한다.이 장치는 일반 트레드밀과 매우 유사한 방식으로 사용됩니다.사용자를 러닝머신 표면에 고정하기 위해 직렬 번지 시스템(SBS)이라 불리는 스트랩 시스템 또는 하니스에 부착된 "피사체 하중 장치"(SLD)라 불리는 스트랩을 사용합니다.이 스트랩은 저항력과 하중을 40lb. ~ 220lb의 범위로 배치합니다.트레드밀을 걷거나 달릴 때 승무원의 몸에 닿습니다.

진동 차단 기능이 있는 사이클 에르고미터(CEVIS)

미국항공우주국(NASA) 우주인 수니타 윌리엄스(32)가 국제우주정거장 데스티니 연구실에서 진동격리시스템(CEVIS)을 이용한 사이클 에르고미터 연습을 하고 있다.

CEVIS는[10][40] 리컴번트 사이클 활동을 이용한 유산소 및 심혈관 훈련을 제공한다.주제에 배치된 워크로드는 매우 정확하게 조정될 수 있습니다.속도, 워크로드 및 심박수의 목표 목표를 설정할 수 있습니다.IVIS(Inertial Vibration Isolation and Stabilization) 사이클 에르고미터의 수정된 버전입니다.[41]여기에는 사이클 속도, 심박수, 목표 속도 및 심박수와의 편차, 경과된 운동 시간 외에 실제 작업량과 함께 목표 작업량을 표시하는 제어판이 있습니다.워크로드 범위는 25와 350와트 사이입니다.페달 속도는 30~120rpm입니다.승무원이 운동하면서 발생하는 움직임과 힘이 국제우주정거장(ISS)으로 전달되는 것을 막는 방진장치가 있다.

그것은 현재 국제우주정거장에서 우주인들의 주간 운동 일정의 일부로 사용되고 있으며, 15년간 궤도상에서 임무를 수행할 수 있는 것으로 인증되었다.

중간 저항 연습 장치(iRED)

SS017E006639 (2008년 5월 11일) - NASA의 우주비행사 개럿 레이스만, 스쿼트 하네스 패드를 착용한 채 국제우주정거장의 유니티 노드에 있는 IRED(Interim Resistive Exercise Device) 장비를 사용하여 무릎 굽힘을 수행하고 있습니다.

iRED는[10][42] 사용자에게 저항성 운동을 제공하여 근육 위축을 방지하고 뼈 손실을 최소화합니다.그것은 승무원의 힘, 힘, 지구력을 유지하는 데 초점을 맞추고 있다.상체와 하체를 위한 18가지 이상의 운동이 있으며 최대 300파운드의 무게를 제공한다.저항력가능한 운동의 예로는 스쿼트, 직선 다리 데들리프트, 벤트 다리 데들리프트, 힐 상승, 구부림 열, 직립 열, 이두근 컬, 숄더 프레스 등이 있다.

승무원들의 운동 요법의 일부로 매일 사용되었으나 2011년 10월에 폐기되었다.이제, [43]첨단 저항 운동 장치(ARED)가 사용됩니다.

기타 공간에서의 운동 방법

  • 플라이휠 운동장치(FWED)[44]
    ESA 우주비행사 프랭크 드 윈이 국제우주정거장 콜럼버스 실험실에서 플라이휠 운동장치(FWED)로 착석열을 수행하고 있다.
  • 다목적 통합 대책 자극기(M-ICS)[44]
  • 저항 진동[44] 연습
  • ICARE([44]Integrated Counteration and Recaluation Equiser)
  • 짧은 팔 인간[44] 원심 분리기
  • 하체 부압 연습(LBNP)[35][45]

이러한 방법의 효과와 평가

TVIS와 iRED는 근육량과 [10][46][47]골밀도를 유지하는 데 있어 대부분 효과가 없다.TVIS와 iRED 둘 다 [10]지구에서 경험한 것과 유사한 힘을 발생시킬 수 없다.이러한 장치의 많은 부분에 사용되는 하니스와 번지 코드는 상당한 불편을 야기하며, 향후 장기 사용이 [48]용이하도록 재설계해야 합니다.CEVIS는 최대 설정으로 ISS에서 [10]지구와 동등한 저항 부하를 얻을 수 있는 유일한 영구 장치입니다.FWED(2009년 ISS에 게재, 사진)는 1-g의 실험적인 침대 레스트에 적합하여 체중을 초과하는 저항력을 달성하고 뼈와 근육 [49]위축을 완화시켰다.

유럽우주국은 다양한 대응 [44]기술의 효과를 평가하기 위해 다양한 장치를 사용합니다.

  • 근육위축연구운동시스템(MARES)
  • 휴대용 폐기능시스템(PPFS)
  • 귓불 동맥화 채혈기(EAB C)
  • 장기 의료 조사 시스템(LTMS)
  • ISS 대응 X선 촬영 시스템
  • 바이오피드백 및 가상현실 시스템:확장 가상 현실 시스템(eVRS)
역진자 이론에서 몸통 궤적을 따라 이동하는 질량 없는 다리의 질량 중심.속도 벡터는 시각 1과 시각 2에서 지면 반력에 대해 수직으로 나타난다.

우주에서의 이동 운동학

다음 항목도 참조하십시오.이족 보행, 보행 및 보행 분석

중력은 보행 속도, 근육 활동 패턴, 보행 전환, 그리고 [50][51]이동 메커니즘에 큰 영향을 미치는데, 이것은 그 환경에서 움직임을 최적화하기 위해 우주에서의 이동의 운동학을 연구할 필요가 있다는 것을 의미한다.

지구에서 동적 유사성 가설은 다른 키와 [52]몸무게를 가진 사람들 사이의 게이트를 비교하기 위해 사용된다.이 가설은 다른 포유동물들이 중력에 [52]대한 관성력의 비율이 같은 속도로 이동할 때 역동적으로 유사한 방식으로 움직인다고 말한다.이 비율은 Froude 수라고 불리며 다양한 크기와 동물의 종을 비교할 [52]수 있는 무차원 매개변수입니다.Froude 숫자는 사람의 질량, 다리 길이, 사람의 속도, 중력 [53]가속도에 기초한다.이는 사람이 걷기에서 달리기로 전환하는 시점을 나타내며 일반적으로 지구 [53]중력의 인간의 경우 0.5정도이다.중력 수준이 낮아지면 개인은 느린 속도로 달리지만 여전히 거의 동일한 [54][55]Froude 수치로 전환합니다.

우주에서의 이동을 연구할 때, 이와 같은 관계가 항상 적용되는 것은 아니다.예를 들어 보행용 역진자 모델은 감소된 중력 조건에서는 [56]적용되지 않을 수 있다.또한, 우주복을 사용할 때, Froude [57][58]번호에 분명한 차이가 있습니다.MIT의 크리스토퍼 카와 제레미 맥기는 2009년에 [59]아폴로 번호라고 불리는 수정된 매개변수를 개발했다.아폴로호는 우주복이 지탱하는 무게와 중력가속도의 차이를 [59]고려했다.우주복을 입고 걷는 것과 벗지 않는 것의 모든 차이를 설명하지는 않지만, 그 차이의 60%를 차지하며, 미래의 우주복 [59]디자인을 최적화하기 위한 귀중한 정보를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

우주 이동의 에너지학

참고 항목: 우주복, 바이오 에너지 시스템

지구에서는 같은 [60]거리를 달리는 것에 비해 1마일을 걷는 데 절반의 에너지가 든다.반대로, 중력 조건이 낮은 우주복을 사용할 때는 걷는 [61]것보다 달리는 것이 더 효율적입니다.일반적으로, 감소된 중력 속에서 걷는 것은 높은 신진대사 비용을 가지며, 이는 [62]이러한 환경에서 정상적인 보행 운동학에 어느 정도 지장을 초래한다는 것을 의미한다.감소된 중력 조건에서 달릴 때, 몸무게가 [60]감소함에 따라 인체의 에너지 소비량은 비례적으로 감소한다.이것은 우주복이 달리는 동안 스프링과 비슷하게 행동한다는 것을 다른 증거와 결합해서,[61] 다시 걷는 것에 비해 운송 비용을 줄일 수 있다는 것을 보여준다.크리스토퍼 카와 다바 뉴먼의 연구는 이러한 스프링 같은 행동의 원인이 무릎의 [61]더 큰 굴곡을 필요로 하는 운동에서 우주복의 기여가 더 클 것이라는 것을 암시했다.

우주에서의 선외 활동(EVA)의 제한은 [63]우주복에서의 이동의 대사 비용과 관련이 있다.대사비용은 신체활동의 에너지비용을 말한다.미래의 우주 임무와 식민지화를 기대하면서 EVA의 한계를 [63]고려하는 것이 중요합니다.우주복의 에너지 이동 비용에서 가장 큰 역할을 하는 측면은 "수트 가압, 중력, 속도, 표면 경사, 그리고 우주복 구성"[63]이다.

「 」를 참조해 주세요.

추가 정보

  • Virginia E의 우주 약리학.워트링
  • 공간 확보: 로이드 말란의 우주복의 진화
  • GLCS 기사 http://www.americanscientist.org/blog/pub/a-space-suit-that-squeezes

레퍼런스

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