شلوار رباتیک: راه‌حل جدید برای مقابله با اثرات مخرب بی‌وزنی در فضا

جالب‌ترین بخش پرواز فضایی باید بی‌وزنی (Weightlessness) باشد – اما این همان بخشی است که مشکل‌ساز‌ترین نیز هست. در شرایط گرانش صفر (Zero-g)، عضلات تحلیل می‌روند، ضربان قلب تغییر می‌کند، فشار خون افزایش می‌یابد و استخوان‌ها به میزان ۱ تا ۲ درصد برای هر ماه پرواز فضایی از مواد معدنی خود خارج می‌شوند (Demineralize). با توجه به اینکه برخی فضانوردان برای یک سال یا بیشتر در فضا می‌مانند، این میزان آسیب بالقوه بسیار زیادی است. ورزش کمک می‌کند؛ فضانوردان در ایستگاه فضایی بین‌المللی (International Space Station – ISS) ملزم هستند روزی دو ساعت روی تردمیل و دوچرخه ثابت بگذرانند. اما این هنوز برای معکوس کردن مشکل کافی نیست. و فقط گرانش صفر نیست که می‌تواند خطرناک باشد. اقامت طولانی‌مدت در گرانش کاهش یافته ماه یا مریخ می‌تواند اثرات مضر مشابهی داشته باشد.

کیت روبینز (Kate Rubins)، فضانورد بازنشسته که دو دوره خدمت در ایستگاه فضایی بین‌المللی را به مدت کل ۳۰۰ روز در فضا انجام داده، می‌گوید: «وقتی از فضا فرود آمدم، باید مرا از کپسول بیرون می‌بردند و چند روز اول خود را روی زمین مانند یک فرد ۹۰ ساله سپری کردم. بسیاری از سیستم‌های فیزیولوژیکی من شبیه کسی بود که ۲۰ یا ۳۰ سال از من بزرگ‌تر است».

راه‌حل نوین: شلوار رباتیک

اکنون ممکن است راه‌حلی وجود داشته باشد: شلوار رباتیک (Robot Pants). همانطور که یک مطالعه جدید در مجله علوم پیشرفته (Advanced Science) گزارش می‌دهد، تیمی از محققان به رهبری امانوئل پولویرنتی (Emanuele Pulvirenti)، محقق مشارک در آزمایشگاه روباتیک نرم دانشگاه بریستول (Soft Robotics Lab, University of Bristol) در بریتانیا، لباسی توسعه داده‌اند که می‌تواند زیر لباس‌های فضایی پوشیده شود تا مقاومتی مشابه محیط گرانشی فراهم کند و بدن را طوری عملکرد دهد که گویی در زمین است.

این شلوار که از کمر تا زانو امتداد دارد، از دو بخش ساخته شده است: یک لایه بیرونی نایلونی و یک لایه داخلی پلاستیکی هوابند. در جلو و پشت هر دو زانو یک جفت عضله مصنوعی حباب‌دار (Bubble Artificial Muscles – BAMs) قرار دارد که از لوله‌های پلاستیکی و حلقه‌های نگهدارنده ساخته شده و می‌توانند با هوا باد شوند تا فشاری بر عضلات واقعی زیرین وارد کنند. BAMها در گذشته برای حمایت از عضلات پوشنده استفاده شده‌اند و به سربازان برای حمل بارهای سنگین یا به افراد دارای معلولیت برای بازیابی تحرک از دست رفته کمک کرده‌اند. با این حال، در مطالعه فعلی، پولویرنتی و همکارانش این واحدها را در نقاطی قرار دادند که در واقع حرکت پوشنده را کمی سخت‌تر می‌کند و منجر به یک فعالیت مداوم در سطح پایین می‌شود که برخی از مزایای سلامتی گرانش را خواهد داشت.

آزمایش سیستم در شرایط شبیه‌سازی شده

برای آزمایش سیستم، پولویرنتی و تیمش به دانشگاه میلان سفر کردند که محل آزمایشگاه L.O.O.P. (Locomotion On Other Planets – حرکت در سیارات دیگر) است که توسط آژانس فضایی اروپا (European Space Agency) ساخته و اداره می‌شود. L.O.O.P. مجهز به یک سیستم بند است که می‌تواند آزمودنی‌ها را به آرامی به سمت بالا بکشد و گرانش کاهش یافته یک‌ششم ماه یا ۳۸ درصد گرانش مریخ را بازآفرینی کند. تیم شش آزمودنی – چهار مرد و دو زن – با میانگین سنی کمی کمتر از ۳۱ سال را استخدام کرد و آنها را با L.O.O.P. و شلوار رباتیک تحت آزمایش قرار داد. سنسورها روی هفت عضله در پاهای آنها قرار گرفت و ماسکی روی دهان آنها قرار داده شد که نفس بازدمی را جمع‌آوری می‌کرد و گازهای تنفسی، تهویه ریوی، مصرف اکسیژن و تولید دی‌اکسید کربن را اندازه‌گیری می‌کرد.

آزمودنی‌ها سپس سوار تردمیل شدند و به مدت چهار دقیقه تحت شش شرایط راه رفتند: بدون شلوار رباتیک، با شلوار رباتیک اما بدون باد کردن BAMها، و با BAMهای باد شده. ابتدا هر سه تمرین را بدون بند، تحت میدان گرانشی یک-g زمین انجام دادند و سپس با بند متصل شده برای ایجاد گرانش شبیه‌سازی شده یک‌ششم ماه. آنچه محققان به دنبال آن بودند، افزایش فعالیت در هفت عضله پا و افزایش فعالیت متابولیکی بود که نشان می‌داد بدن در حال فعالیت است. نتایج چشمگیر بود.

نتایج امیدوارکننده

وقتی آزمودنی‌ها تحت گرانش زمینی بودند و با BAMهای باد نشده راه می‌رفتند، افزایش ۱۸.۲ درصدی در فعالیت متابولیکی را تجربه کردند که نشان می‌داد فقط حضور BAMها برای تأثیرگذاری بر راه رفتن و فعالیت کافی است و باعث می‌شود پوشندگان سخت‌تر کار کنند. وقتی BAMها باد شدند، نرخ متابولیسم ۲۰.۱ درصد افزایش یافت. تحت گرانش شبیه‌سازی شده ماه، متابولیسم با BAMهای باد نشده ۲۰.۱ درصد و با آنها باد شده ۲۹.۳ درصد افزایش یافت. در همان زمان، فعال‌سازی عضلات پا بسته به اینکه کدام عضله اندازه‌گیری می‌شد، ۱۳.۹ تا ۸۷ درصد افزایش یافت.

پولویرنتی در بیانیه‌ای که همراه با انتشار مطالعه منتشر شد، گفت: «دوست دارم به توسعه این فناوری ادامه دهم تا بالاخره بتواند در ایستگاه فضایی بین‌المللی آزمایش شود».

کاربردهای زمینی

آنچه در خارج از سیاره کار می‌کند می‌تواند در روی آن نیز کار کند و به افراد آسیب‌دیده یا معلول کمک کند تا قدرت و حرکت را بازیابی کنند. پولویرنتی می‌گوید: «این لباس خارجی (Exosuit) کمکی است، به این معنی که به طور مصنوعی عضلات اندام تحتانی را تقویت می‌کند، اما ما همچنین به طور جداگانه یک لباس خارجی مقاومتی توسعه داده‌ایم که بار را به بدن اعمال می‌کند تا به حفظ توده عضلانی کمک کند. هدف بعدی ما ایجاد یک لباس ترکیبی است که بتواند بین کمک و مقاومت جابه‌جا شود… که می‌تواند برای افرادی که به حمایت در تحرک نیاز دارند و در حال گذراندن توانبخشی فیزیکی هستند، بسیار مفید باشد».

ممکن است سال‌ها طول بکشد تا به ماه برسیم و دهه‌ها طول بکشد تا به مریخ برسیم، اما لباس خارجی هم‌اکنون آماده است تا کار خود را در اینجا روی زمین انجام دهد.