Locomoção no espaço - Locomotion in space
A locomoção no espaço inclui qualquer variedade de ações ou métodos usados para mover o corpo de alguém em um ambiente com condições de microgravidade . A locomoção nessas condições é diferente da locomoção na gravidade da Terra . Existem muitos fatores que contribuem para essas diferenças e são cruciais ao pesquisar a sobrevivência a longo prazo de humanos no espaço.
Desafios de locomoção em gravidade reduzida
Os humanos evoluíram em um ambiente 1-G e, portanto, estão acostumados às condições atmosféricas padrão da Terra, e o ambiente de microgravidade do espaço pode ter efeitos enormes no corpo humano e em sua locomoção.
Condições ambientais
As condições ambientais no espaço são adversas e requerem extensos equipamentos para sobrevivência e realização das atividades diárias. Há muitos fatores ambientais a serem considerados dentro e fora de uma espaçonave em que os astronautas trabalham. Esses fatores incluem, mas não estão limitados a, movimento durante a ausência de gravidade, equipamento geral necessário para viajar para o destino desejado no espaço e equipamentos como trajes espaciais que dificultar a mobilidade.
Ao fazer atividades extraveiculares (EVA), é importante estar protegido do vácuo do espaço. A exposição a este ambiente hostil pode causar a morte em um pequeno período de tempo. Os principais fatores ambientais de preocupação no espaço incluem, mas não estão limitados ao seguinte:
- falta de oxigênio
- diferenças extremas de pressão e temperatura
- níveis mais altos de radiação
Efeitos no corpo humano
Existem muitos efeitos prejudiciais da exposição prolongada à gravidade reduzida, que são semelhantes ao envelhecimento e às doenças. Alguns efeitos de longa duração da gravidade reduzida podem ser simulados na Terra usando repouso na cama . Esses efeitos são discutidos abaixo em geral, mas informações mais detalhadas podem ser encontradas na página " Efeito do voo espacial no corpo humano ". Os vários efeitos incluem:
- atrofia muscular
- descondicionamento (por exemplo, constrição arterial, perda de densidade óssea )
- sintomas semelhantes a envelhecimento ou doença
- mudanças de fluidos na direção da cabeça (dores de cabeça, sinusite / congestão nasal, edema facial)
- diminuição do volume muscular
- diminuição da resistência óssea e fratura
- aumento da fadiga e perda de força geral
- diminuição do controle locomotor
- enjôo
- problemas de visão
- flatulência excessiva
- outros efeitos físicos
- efeitos psicológicos
O volume do músculo pode diminuir até 20% em uma missão de seis meses e a densidade óssea pode diminuir a uma taxa de aproximadamente 1,4% no quadril em um mês. Um estudo feito por Fitts e Trappe examinou os efeitos do voo espacial prolongado (definido como aproximadamente 180 dias) no músculo esquelético humano usando biópsias musculares. Foi demonstrado que a ausência de peso prolongada causa perda significativa na produção de massa, força e potência nos músculos sóleo e gastrocnêmio . Existem muitas contramedidas para esses efeitos, mas até agora não são suficientes para compensar os efeitos prejudiciais das viagens espaciais e os astronautas precisam de extensa reabilitação após seu retorno à Terra.
Tecnologia usada para compensar os efeitos negativos
Para compensar os efeitos negativos da exposição prolongada à microgravidade, os cientistas desenvolveram muitas tecnologias de contramedidas com vários graus de sucesso.
Estimulação elétrica
A estimulação elétrica muscular transcutânea (EMS) é o uso de corrente elétrica para estimular a atividade muscular. Este método é teoricamente utilizado para prevenir a atrofia e fraqueza muscular. A eficácia dessa abordagem foi testada em um estudo de repouso no leito de 30 dias feito pela Duovoisin em 1989. Embora os pacientes apresentassem taxas reduzidas de atrofia muscular no membro estimulado, não havia evidências que sustentassem que esse método necessariamente prevenisse esses efeitos. Mais recentemente, em 2003, Yoshida et al. fez um estudo relacionado à suspensão dos membros posteriores em ratos. Este estudo concluiu que a suspensão dos membros posteriores e EMS tiveram algum sucesso na prevenção da deterioração da função muscular induzida pelo desuso. Vários estudos científicos realizados mencionam a aplicação desta técnica como uma contramedida em voos espaciais de longo prazo.
Carregando ternos
Trajes de carga são roupas usadas para ajudar a manter a carga nos ossos durante seu tempo no espaço, não devem ser confundidas com trajes espaciais , que ajudam os astronautas a sobreviver ao clima rigoroso fora de um veículo como a Estação Espacial Internacional (ISS).
Terno pingvin
O traje Pingvin é projetado para adicionar cargas musculoesqueléticas a grupos musculares específicos durante o vôo espacial, a fim de prevenir a atrofia dos músculos nas costas. Este terno leve tem uma série de faixas elásticas para criar essas cargas corporais verticais. Ele carrega a parte superior e a parte inferior do corpo separadamente. A parte superior do corpo pode ser carregada com até 88 lb. (40 kg). Os usuários consideram este traje quente e desconfortável, apesar de seu baixo peso.
Skinsuit de contramedida de carga por gravidade (GLCS)
O GLCS é uma vestimenta projetada para ajudar a mitigar os efeitos do descondicionamento musculoesquelético. É parcialmente inspirado no traje Pingvin, um traje espacial russo usado desde os anos 1970. Empregando materiais elásticos para colocar cargas no corpo, o GLCS tenta imitar as cargas gravitacionais experimentadas em pé. Um estudo piloto foi realizado em vôo parabólico para avaliar a viabilidade do design inicial em 2009. Este skinsuit cria um gradiente de carga em todo o corpo que aumenta gradualmente a carga em relação ao peso corporal nos pés. Outras iterações do design inicial foram desenvolvidas e agora a versão atual do traje está sendo testada na ISS como parte de um projeto de pesquisa patrocinado pela ESA .
Outros trajes de carregamento
- Conceito DYNASUIT
O DYNASUIT é um projeto conceitual que envolve um traje que pode ser dividido em vários subsistemas. Cada subsistema controla um aspecto diferente do traje. Por exemplo, existe um subsistema de bioparâmetro que mede as respostas fisiológicas como sinais musculares ( EMG ), frequência cardíaca, eletrocardiograma, taxa de ventilação, temperatura corporal, pressão sanguínea e saturação de oxigênio. Há também uma unidade de controle central ou equivalente ao cérebro do traje, bem como um subsistema de músculos artificiais que propõe o uso de polímeros eletroativos (EAP) ou pneumáticos para aplicar forças no corpo. Também existe uma interface de usuário proposta para ajudar o astronauta a interagir com o traje. Este projeto potencial ainda está em fase de desenvolvimento e não foi prototipado neste momento.
Terapia Farmacológica
Em geral, a maneira como o corpo de uma pessoa absorve medicamentos em condições de gravidade reduzida é significativamente diferente das propriedades normais de absorção aqui na Terra. Além disso, existem várias terapias farmacológicas ou medicamentosas usadas para combater certos efeitos colaterais de voos espaciais prolongados. Por exemplo, a dextroanfetamina foi usada pela NASA para ajudar com enjôo espacial e intolerância ortostática . O uso de alendronato de biofosfato foi proposto para auxiliar na prevenção da perda óssea, mas nenhuma evidência conclusiva foi encontrada para mostrar que isso ajude neste aspecto. Consulte a leitura recomendada para obter mais informações sobre farmacologia espacial.
Gravidade artificial
Gravidade artificial (AG) é o aumento ou diminuição da força gravitacional em um objeto ou pessoa por meios artificiais. Diferentes tipos de forças, incluindo aceleração linear e força centrípeta , podem ser usados para gerar essa força gravitacional artificial.
O uso da gravidade artificial para neutralizar a microgravidade simulada (por exemplo, repouso na cama) na Terra mostrou ter resultados conflitantes para a manutenção dos sistemas ósseo, muscular e cardiovascular. Centrífugas de braço curto podem ser usadas para gerar condições de carga maiores do que a gravidade, o que pode ajudar a prevenir o músculo esquelético e a perda óssea associada a voos espaciais prolongados e repouso na cama. Um estudo piloto feito por Caiozzo e Haddad em 2008 comparou dois grupos de sujeitos: um que estava em repouso na cama por 21 dias (a fim de simular os efeitos de uma viagem espacial prolongada), e outro que esteve em repouso na cama, bem como sendo exposto à gravidade artificial por uma hora por dia. Eles usaram uma centrífuga de braço curto para induzir artificialmente a força gravitacional. Após a coleta de amostras de biópsia muscular, eles determinaram que o grupo que havia sido exposto à gravidade artificial não apresentava um déficit tão grave em termos de área de secção transversal da fibra muscular.
Embora essa tecnologia tenha potencial para ajudar a neutralizar os efeitos prejudiciais de voos espaciais prolongados, há dificuldades em aplicar esses sistemas artificiais de gravidade no espaço. Girar toda a espaçonave é caro e introduz outra camada de complexidade ao projeto. Uma centrífuga menor pode ser usada para fornecer exposição intermitente, mas as atividades de exercício disponíveis na centrífuga pequena são limitadas devido à alta velocidade de rotação necessária para gerar forças gravitacionais artificiais adequadas. O sujeito pode experimentar "efeitos vestibulares e de Coriolis desagradáveis" enquanto está na centrífuga.
Vários estudos sugeriram que a gravidade artificial pode ser uma contramedida adequada para voos espaciais prolongados, especialmente se combinada com outras contramedidas. Um projeto conceitual intitulado ViGAR (Virtual Gravity Artificial Reality) foi proposto em 2005 por Kobrick et al. e detalha um dispositivo que combina gravidade artificial, exercícios e realidade virtual para combater os efeitos negativos de voos espaciais prolongados. Inclui uma bicicleta em uma centrífuga , bem como um sistema de realidade virtual integrado.
Métodos de exercício
Isolamento e estabilização de vibração em esteira (TVIS)
O TVIS é uma esteira modificada. Inclui um sistema de isolamento de vibração, que evita que as forças do exercício sejam transferidas para a Estação Espacial Internacional (ISS). Este dispositivo é usado de maneira muito semelhante a uma esteira comum. A fim de manter o usuário na superfície da esteira, ele inclui um sistema de tiras chamado sistema elástico em série (SBS), que usa tubos de látex ou tiras chamadas "dispositivos de carga do sujeito" (SLDs) presos a um arnês. Essas tiras colocam forças resistivas e cargas em uma faixa de 40 lb. a 220 lb. no corpo do membro da tripulação enquanto eles caminham ou correm na esteira.
Cicloergômetro com isolamento de vibração (CEVIS)
O CEVIS oferece treinamento aeróbico e cardiovascular usando atividades de ciclismo reclinado. A carga de trabalho colocada no assunto pode ser ajustada com muita precisão. Você pode criar metas de velocidade, carga de trabalho e frequência cardíaca. É uma versão modificada do Ciclo Ergômetro de Estabilização e Isolamento de Vibração Inercial (IVIS). Ele tem um painel de controle que exibe a carga de trabalho alvo, bem como a carga de trabalho real, além da velocidade de ciclismo, freqüência cardíaca, desvio da velocidade alvo e freqüência cardíaca e tempo de exercício decorrido. A faixa de carga de trabalho é entre 25 e 350 Watts. As velocidades do pedal variam de 30 a 120 rpm. Existe um sistema de isolamento de vibração que evita que os movimentos e as forças geradas pelo tripulante em exercício sejam transferidos para a Estação Espacial Internacional (ISS).
Atualmente é usado na Estação Espacial Internacional como parte da programação de exercícios semanais dos astronautas e é certificado para 15 anos de serviço em órbita.
Dispositivo de exercício de resistência provisória (iRED)
O iRED oferece exercícios resistidos ao usuário, o que ajuda a prevenir a atrofia muscular e minimizar a perda óssea. Ele se concentra em manter a força, potência e resistência do membro da tripulação. Tem mais de 18 exercícios diferentes para a parte superior e inferior do corpo e fornece uma força de resistência de até 300 lb. Exemplos de exercícios possíveis incluem, mas não estão limitados a: agachamento, levantamento terra com as pernas retas, levantamento terra com as pernas dobradas, levantamento de calcanhar, linhas dobradas, linhas verticais, rosca bíceps, supino etc.
Ele era usado diariamente como parte do regime de exercícios dos membros da tripulação, mas foi retirado em outubro de 2011. Agora, o Dispositivo de Exercício Resistivo Avançado (ARED) é usado.
Outros métodos de exercício para uso no espaço
- Dispositivo de exercício volante
- Estimulador de contramedidas integrado multifuncional (M-ICS)
- Exercício de vibração resistiva
- Exercitador de contramedida e reabilitação integrado (ICARE)
- Centrífuga Humana de Braço Curto
- Exercício de pressão negativa da parte inferior do corpo (LBNP)
Eficácia e avaliação desses métodos
O TVIS e o iRED são amplamente ineficazes quando se trata de manter o volume muscular e a densidade óssea. Tanto o TVIS quanto o iRED não podem gerar forças semelhantes às experimentadas na Terra. Os arneses e cordas elásticas usados em muitos desses dispositivos causam um desconforto substancial e, no futuro, precisam ser reprojetados para facilitar o uso de longa duração. O CEVIS, em sua configuração máxima, é o único dispositivo que pode atingir cargas resistivas comparáveis às da Terra.
A Agência Espacial Europeia emprega muitos dispositivos diferentes para avaliar a eficácia de diferentes tecnologias de contramedidas:
- Sistema de Pesquisa e Exercício de Atrofia Muscular (MARES)
- Sistema de função pulmonar portátil (PPFS)
- Coletor de sangue arterializado do lóbulo da orelha (EAB C)
- Sistema de pesquisa médica de longo prazo (LTMS)
- Sistema de imagem de raio-x compatível com ISS
- Biofeedback e sistemas de realidade virtual: Enhanced Virtual-Reality System (eVRS)
Cinemática da locomoção no espaço
Consulte também : Análise de bipedalismo , caminhada e marcha
A gravidade tem grande influência na velocidade de caminhada, nos padrões de atividade muscular, nas transições da marcha e na mecânica da locomoção, o que significa que a cinemática da locomoção no espaço precisa ser estudada a fim de otimizar os movimentos naquele ambiente.
Na Terra, a hipótese de similaridade dinâmica é usada para comparar andamentos entre pessoas de diferentes alturas e pesos. Essa hipótese afirma que diferentes mamíferos se movem de maneira dinamicamente semelhante quando viajam a uma velocidade em que têm a mesma proporção de forças inerciais para forças gravitacionais. Essa razão é chamada de número de Froude e é um parâmetro adimensional que permite comparar a marcha de diferentes tamanhos e espécies de animais. O número de Froude é baseado na massa da pessoa, no comprimento da perna, na velocidade da pessoa e na aceleração gravitacional. Indica o ponto em que uma pessoa muda de andar para correr e é normalmente cerca de 0,5 para humanos na gravidade da Terra. Em níveis reduzidos de gravidade, os indivíduos passam a correr em velocidades mais lentas, mas ainda com aproximadamente o mesmo número de Froude.
Quando a locomoção é estudada no espaço, essas mesmas relações nem sempre se aplicam. Por exemplo, o modelo de pêndulo invertido para andar pode não ser aplicável em condições de gravidade reduzida. Além disso, ao usar um traje espacial, existem diferenças muito aparentes no número de Froude. Christopher Carr e Jeremy McGee no MIT desenvolveram um parâmetro modificado chamado número Apollo em 2009. O número Apollo leva em consideração o peso que o traje espacial suporta, bem como a diferença na aceleração gravitacional. Embora não explique todas as diferenças entre andar com um traje espacial e sem, ele é responsável por 60% dessa diferença e tem o potencial de fornecer informações valiosas para a otimização de futuros designs de traje espacial.
Energética da locomoção no espaço
Veja também : traje espacial , sistemas bioenergéticos
Na Terra, é preciso metade da quantidade de energia para caminhar uma milha em comparação com correr a mesma distância. Em contraste, ao usar um traje espacial em condições de gravidade reduzida, correr é mais eficiente do que andar. Geralmente, caminhar em gravidade reduzida tem um alto custo metabólico, o que significa que há alguma perturbação da cinemática normal da marcha enquanto estiver neste ambiente. Ao correr em condições de gravidade reduzida, o consumo de energia do corpo humano diminui proporcionalmente à medida que o peso corporal diminui. Isso, combinado com outras evidências, indica que os trajes espaciais se comportam de maneira semelhante às molas durante a corrida, o que, por sua vez, diminuiria o custo de transporte em comparação com a caminhada. Um estudo de Christopher Carr e Dava Newman sugeriu que a causa desse comportamento semelhante a uma mola é o torque no joelho , o que significa que em movimentos que exigem uma flexão maior do joelho, as contribuições do traje espacial serão maiores.
As limitações da atividade extraveicular (EVA) no espaço estão relacionadas aos custos metabólicos da locomoção em um traje espacial. O custo metabólico refere-se ao custo energético de uma atividade física. Olhando para as futuras missões espaciais e colonização, as limitações do EVA são importantes a serem consideradas. Os aspectos que desempenham o maior papel no custo energético do movimento em um traje espacial são a "pressurização, gravidade, velocidade, inclinação da superfície e configuração do traje espacial.
Veja também
- Locomoção
- Fadiga e perda de sono durante o voo espacial
- Danos no disco intervertebral e voo espacial
- Tratamento médico durante o vôo espacial
- Massa muscular, força e desempenho reduzidos no espaço
- Colonização do espaço
- Carcinogênese por radiação em voos espaciais
- Deficiência visual devido à pressão intracraniana
- Terno de marte
Leitura adicional
- Farmacologia Espacial por Virginia E. Wotring
- Adaptando-se ao Espaço: A Evolução do Traje Espacial, de Lloyd Mallan
- Artigo no GLCS http://www.americanscientist.org/blog/pub/a-space-suit-that-squeezes
Referências
links externos
- David Andrew Green; Matteo Stoppa (4 de novembro de 2015). "Veja os novos trajes espaciais bizarros que nos levarão a Marte" . Huffington Post . Retirado em 28 de agosto de 2017 .