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人可以适应人工重力的旋转环境吗?
    日期:2007年02月27日    字体:【】【】【
     航天中的失重环境可以引起航天员的体内出现类似于人衰老时的变化,例如失重可以使航天员的心血管功能下降;出现肌肉萎缩和骨质疏松;航天员抵抗疾病的能力下降;在返回到地球后走路像老人一样摇摇摆摆,动作不协调,站立时间长一些,就会晕倒等变化。为了防止失重对人体的不利影响,航天中采用了各种各样的措施。在长期飞行中,每天航天员都要花费2~3小时的时间进行体育锻炼和其他方式的训练,目的就是为了克服失重的影响。

  尽管采用了多种多样的防护措施,但仍不能完全消除失重的影响。因此有科学家设想,如果使航天器产生人工重力,使人在航天中像在地面上一样的生活,那么所有的问题都将得到解决。首先提出人工重力具体设想的是布朗,他建议将空间站设计成一个大面包圈似的结构,半径40m,以每秒2/7弧度的角加速度围绕中心旋转,生活在这个圈中的人将会受到l/3G的重力,他认为这足以维持人的正常生活。也有人设想在空间站的壁上安装几个喷管,当它喷出气体使空间站旋转时,空间站上就产生了人工重力。随着航天事业的发展,飞行时间的逐渐延长,美国和俄罗斯都提出了向火星进军的口号,这意味着人至少要在空中停留2年以上,为了彻底消除失重对航天员的影响,人工重力将是最佳方案,美国和前苏联等国在该方面已进行了一些研究。

  虽然人工重力是一个很好的建议,但是人长期地生活在这种旋转的环境下,是否可以适应,首先是人的大脑是否能承受?在建造人工重力的太空站之前,首先要解决的就是这个问题。如果人不能适应人工重力的旋转环境,就不必花费巨额资金去建造人工重力空间站了。

  要解决这个问题,必须通过科学实验。首先让我们来看看旋转对我们日常的行动有哪些影响吧!要说明这个问题可以进行一项很简单的实验。你和你的朋友们可以带一个篮球到操场去,你们都坐上旋转木马,你拿着球,尝试将球扔给坐在你的对面或是离你几尺远的朋友。如果在平时,这是一个很简单的动作,很容易将球接住。但在旋转的情况下,要接住这个球就不容易了。这是因为你投球时,球并不是像平常那样沿着常规的方向前进,而是出现了偏离。你会感到当你投球的时候,你的胳膊好像被一种奇怪的力拉向一边,很难控制球按照你希望的方向抛出去。物理学家们将这种现象称为“科里奥利作用”,它发生在任何一个旋转平台上。


  人工重力可以解决很多问题,它不仅可以使在空间站上的人们不再饱受失重影响之苦,而且在太空中的生活也变得容易了,人在太空中的活动、一些设备的研制(如小便和大便设备)也不需要考虑失重的作用了。但是,旋转的太空船所产生的“科里奥利作用”对航天员也有不利的影响:例如,当你在一个旋转的环境中,你就会发现投掷出去的物体出现转向,伸手去按一个按钮,你的手指却按错了地方。航天员能够接受这个事实么?

  研究人员詹姆斯·兰克诺和保罗·蒂奥试图了解这个问题。在美国宇航局生物与自然研究中心的支持下,这两名科学家在地面的旋转屋进行了一系列实验,以便了解航天员在旋转的太空船里应该如何调整他们的生活。他们也希望能发现一种方法,使航天员从不旋转的环境(如地球)进入到旋转环境(如具有人工重力的空间站)时可以很快地适应。同时,当他们从旋转的空间站回到地球后,也能很快地恢复到飞行前的状态。

  早在60年代航天医学的科学家就在旋转屋中进行过实验,那时的结果似乎表明人不能很好地适应旋转的环境。但是在那些实验中,被试者对他们行动目标不明确。现在发现在旋转环境中,人的运动、操作能力的适应是很快的。如果明确地告诉被试者做某项事,例如用手去指前面一个靶子的靶心,开始被试者指不准,总是偏离靶心,但仅仅10-20次尝试后,就能很准确地触到目标,如此快速的调整令研究人员们感到十分惊讶。为什么可以这样快地学会在旋转的环境下准确地操作呢?这是通过脑来实现的。当一个目标物出现时,我们的脑就会指挥身体的肌肉,准确地完成动作。开始错误的行动,通过感觉器官反馈到脑,脑对它进行综合分析,加以矫正。经过一次次地反馈-矫正,使人的行动越来越准确。

  为什么人们有能力适应旋转环境呢?我们的身体和大脑可能已经进化到一定程度,可以适应“科里奥利作用”。平时,当你每次转过身伸出胳膊去够某个物体,在你玩篮球,打乒乓球或者转过身去看是什么地方发出奇怪的声音时,你都在进行一次科里奥利氏实验。当被试者或科研人员在旋转房中进行实验时,他们的一举一动都受到“科里奥利力”的影响,人的脑时刻在对他们的行动进行调整,使他们能很快适应旋转的环境。因此,在进行一段时间实验后,科研人员惊讶地发现参加实验的人不再感觉到到“科里奥利力”的影响了。在他们行动时,那种拉他们胳膊和腿的奇怪力量似乎已经消失了。这是由于他们的大脑已经对这种力进行补偿,使他们的行动自如了。

  更奇怪的是当旋转屋中的被试者走出屋子,进入不旋转的环境时,他们述说感觉到有一种“科里奥利力”作用到他们,这个力的方向与他们运动的方向相反。其实这是他们的脑在欺骗它们,是一种幻觉。通过10~20次定向运动后,他们的脑就会进行调整,适应非旋转的环境,幻觉也消失了。

  DiZio and Lackner 已经发现人们能够很快适应像25转数/分一样快的旋转速度。这个速度与人们在日常生活中转身的速度一样快。通过很好地设计,一个旋转的太空船将会旋转得更慢,也许只有10转数/分。

  为了更好的控制他们的实验环境,研究人员已经进行了一些创新工作:用旋转臂来模拟科里奥利影响。当旋转臂轻轻地旋转产生“科里奥利力”时,坐在它们的“手腕”处的被试者就进行一些运动。

  采用这种方法进行实验的优点是可以安排不同的程序,让旋转臂进行不同形式的旋转。使用这种旋转臂进行研究,DiZio and Lackner发现在一种较大和恒定力环境里,进行一种小而且多变的力的运动,被试者是可以适应的。所以,可以认为航天员如果生活在一种恒定力场的环境下,例如,在太空船离子推动器的稳定推动力的作用下,可以适应多变的“科里奥利作用”。

  但是,还有很多问题无法回答。例如,这种旋转臂的旋转对身体内的其他系统是否会产生不良影响?在运送笨重工具时,他们的适应能力是否会有所不同?一旦适应旋转环境后,人们如果再生活到不旋转的环境下,他们的适应能力如何?训练航天员在一个旋转的房间中生活的最佳方式是什么?Lackner 和 DiZio准备在未来的几个月里继续他们的研究,解决这些问题。
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