Нынешние системно-специфические контрмеры по декондиционированию космоса в ходе длительных полетов имели ограниченный успех в отношении опорно-двигательного аппарата.
Искусственная гравитация (ИГ), создаваемая короткорадиусной центрифугой, рассматривается в качестве эффективной контрмеры, поскольку она вновь вводит поле ускорения в пространстве.
Однако одной только ИГ может быть недостаточно для сохранения опорно-двигательного аппарата. Новаторская комбинация «AG» в сочетании с приседаниями на одной ноге на вибрирующей платформе может сохранить мышцы и кости нижних конечностей в большей степени, чем нынешняя парадигма тренировок.
Для аналитического анализа преимуществ предлагаемой контрмеры была разработана численная модель. Данные о силе наземной реакции и данные о движении были собраны с помощью системы регистрации движения при выполнении приседаний на одной и на двух ногах.
Движение моделировалось в «OpenSim», программном обеспечении с открытым исходным кодом, и обратная динамика применялась для определения мышечных и реакционных сил суставов нижних конечностей.
Вибрационный стимул был смоделирован путем добавления 20 Гц синусоидальной силы на 0,5 массы тела к данным силовой пластины. Из численной модели в поле ускорения следует, что мышечные нагрузка на бедра, стопы и щиколотки значительно увеличилась для приседания на одной ноге с вибрацией по сравнению с любым видом приседания без вибрации.
Кроме того, приседая на двух ногах, с вибрацией или без нее значительно увеличились совместные усилия реакции. Более высокие мышечные силы и силы суставной реакции могут стимулировать активацию мышц и моделирование костей и, таким образом, снизить мышечно-скелетную кондицию.
Эти результаты показывают, что предлагаемая контрмера может превзойти по эффективности нынешние космические контрмеры и должна быть дополнительно изучена в качестве одного из методов смягчения последствий заболеваний опорно-двигательного аппарата.
С подготовкой НАСА к запуску новых и новых объектов, таких как околоземные астероиды, точки «LaGrange» и другие, контрмеры по обезвреживанию человека в космосе будут играть все более важную роль в полетах человека.
Нынешние контрмеры на Международной космической станции (МКС), такие как учения по отработке сопротивления на промежуточном устройстве для учения сопротивления (iRED) или усовершенствованном устройстве для учения сопротивления (ARED), работающей беговой дорожке и езде на велосипеде, оказались лишь частично полезными, несмотря на более чем 40-летний опыт оптимизации.
В частности, астронавты, возвращающиеся с шестимесячного пребывания на борту Международной космической станции (МКС), показали, что объем антигравитационных мышц и пиковая мощность по-прежнему значительно снижаются по сравнению с предполетным периодом (-13% и -32%, соответственно)
Минеральная плотность костей (ПМП) и потери прочности также сохраняются на нижних конечностях, при этом интегральная ПМП теряется в среднем на 1,5% в месяц. Такие потери должны быть притуплены, чтобы обеспечить безопасность астронавтов при длительных экскурсиях за пределы низкой околоземной орбиты.
Искусственная гравитация (ИГ) потенциально может быть эффективной контрмерой, поскольку она имитирует гравитацию в космосе, создаваемую либо вращающимся космическим кораблем, либо короткорадиусной центрифугой (СРК).
Вращающийся космический аппарат был бы идеальным вариантом с точки зрения контрмер, поскольку он мог бы обеспечивать постоянное ускорение; однако вращающийся космический аппарат потребовал бы значительного отклонения от существующих конструкций космических аппаратов.
«AG», созданная СРК, по-прежнему может стать эффективной контрмерой в отношении микрогравитации, поскольку современные концепции являются менее массовыми и объемными по сравнению с вращающимися космическими аппаратами.
«AG» создает ускорение, которое нагружает кости и мышцы, подобно гравитационному ускорению на Земле. «AG» также восстанавливает гидростатические градиенты в организме и вызывает смещение жидкости к нижним конечностям.
Гидростатические градиенты не только оказывают большое влияние на сердечно-сосудистую систему, но и вызывают увеличение кровотока к мышцам нижней части тела.
Кроме того, сдвиг жидкости потенциально важен для ремоделирования костей. Считается, что остеоциты действуют как рецепторы деформации, обнаруживая изменения в интерстициальной жидкости под воздействием нагрузки. Пониженная интерстициальная жидкость, которая встречается в нижних конечностях при исследовании в покое, теоретически ослабляет способность остеоцитов действовать в качестве рецепторов деформации.
Искусственная гравитация меняет эту тенденцию и поэтому может принести большую пользу скелетной системе. Кроме того, в проводимых в настоящее время на космической станции учениях в качестве контрмер используются эластичные ремни и жгуты для нагрузки на тело и удержания членов экипажа.
Жгуты создают неестественную и зачастую неудобную нагрузку на плечи и спину, что ограничивает нагрузку на организм. «AG» выгодна тем, что она создает более естественную нагрузку, которая легко может быть увеличена до уровня, превышающего 1-G.