近日，神舟十六號(hào)航天員乘組使用我國(guó)自主研制的仿生黏附鞋開展在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)任務(wù)并取得圓滿成功。此次研制任務(wù)由南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院戴振東、姬科舉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成，南京艾德恒信科技有限公司作為主要參研單位，以特色仿生技術(shù)助力國(guó)家載人航天事業(yè)發(fā)展。

圖1 航天員在天和核心艙中使用仿生黏附鞋

01 探索宇宙，以人為本

空間生命科學(xué)是伴隨人類航天事業(yè)產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的重要學(xué)科，對(duì)提升空間生命現(xiàn)象認(rèn)知、完善人類知識(shí)體系、推進(jìn)人類長(zhǎng)期太空生存活動(dòng)能力，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

長(zhǎng)期航天飛行容易導(dǎo)致航天員機(jī)體失重性骨丟失、肌肉萎縮、心血管功能紊亂等生理問(wèn)題。為維持宇航員在太空的健康水平，在空間站為宇航員配置了多種在軌鍛煉方法，如飛輪鍛煉、阻抗鍛煉、跑臺(tái)等設(shè)備，但這些設(shè)備體積大、重量重、且不能提供屈肌力刺激。

自然界具有攀爬能力的生物為上述問(wèn)題的解決提供了思路。2017年，南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院戴振東、姬科舉，聯(lián)合中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心科研團(tuán)隊(duì)，受壁虎黏附器官和爬巖鰍附著結(jié)構(gòu)-功能啟發(fā)，突破仿生黏附材料表面高適應(yīng)性、耐候性、耐久性等多項(xiàng)核心技術(shù)，歷時(shí)五年，前后經(jīng)過(guò)多輪方案論證，樣件更迭七代，成功研制了具有“低預(yù)壓、高摩擦、可控黏-脫附”特征的仿生黏附鞋，為空間站航天員在軌失重防護(hù)提供了一種顛覆性仿生新技術(shù)。

圖2 具有變模量、多層級(jí)結(jié)構(gòu)特征的仿生黏附鞋設(shè)計(jì)

02 凝心聚力，協(xié)同攻關(guān)

眾人拾柴火焰高，仿生科學(xué)的創(chuàng)新離不開多學(xué)科交叉協(xié)作。

2017年起，在中國(guó)載人航天工程辦公室的大力支持下，南京航空航天大學(xué)戴振東、姬科舉團(tuán)隊(duì)，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心李瑩輝、李志利團(tuán)隊(duì)，江蘇省體育科學(xué)研究所袁鵬團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京艾德恒信科技有限公司，一同組建了中國(guó)空間站干黏附力刺激項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。多團(tuán)隊(duì)合作、聯(lián)合攻關(guān)，產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，協(xié)同創(chuàng)新。

項(xiàng)目組歷時(shí)五年，通過(guò)自主研發(fā)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，努力攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，不斷優(yōu)化仿生產(chǎn)品細(xì)節(jié)，終于成功研制出空間站仿生黏附鞋。項(xiàng)目組探索并設(shè)計(jì)了仿生鍛煉處方，考察了附著力對(duì)微重力鍛煉過(guò)程中的生物力學(xué)指標(biāo)影響，從而建立起航天員下肢骨肌系統(tǒng)力刺激的仿生新模式。

圖3 仿生黏附鍛煉地基模擬微重力試驗(yàn)驗(yàn)證

03 壁虎漫步，終上太空

2022年11月12日，仿生黏附鞋搭乘天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船成功運(yùn)抵中國(guó)空間站，成為世界上第一雙進(jìn)入太空的仿生黏附鞋。2023年1月17日~25日，神舟十五號(hào)航天員乘組首次完成了穿戴仿生黏附鞋的在軌鍛煉運(yùn)動(dòng)處方；2023年8月15日神舟十六號(hào)航天員乘組完成了仿生黏附鞋優(yōu)化鍛煉處方。

仿生黏附鞋通過(guò)足底附著力實(shí)現(xiàn)踏步中的下肢骨骼肌的鍛煉。仿壁虎腳趾末端的低模量黏附層提高了對(duì)表面粗糙度的適應(yīng)性，仿爬巖鰍的附著結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了附著力和穩(wěn)定性。肌電分析表明仿生黏附鞋提供的可控附著力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)下肢骨肌，特別是屈肌的有效鍛煉，緩解了下肢骨肌在長(zhǎng)期失重環(huán)境中易產(chǎn)生的肌肉萎縮和骨礦物質(zhì)流失等問(wèn)題，在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)取得成功。

仿生學(xué)為航天事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了取之不盡的源泉，在航天特因環(huán)境下研究地球生命和生命體各層次的應(yīng)激、適應(yīng)和變化，是深入探究生命現(xiàn)象本質(zhì)的重要途徑。利用仿生學(xué)研究方法，發(fā)掘隱含在生物生存智慧背后的基本科學(xué)規(guī)律，發(fā)展基于仿生新技術(shù)、新理念、新方法的航天員健康防護(hù)策略，打通從科研研究到技術(shù)突破，再到產(chǎn)品應(yīng)用的全環(huán)節(jié)，形成系列仿生特色裝備，助力我國(guó)航天事業(yè)持續(xù)騰飛。

空間站干黏附力刺激項(xiàng)目不僅得到了載人航天工程辦公室、航天員科研訓(xùn)練中心、多位專家學(xué)者持續(xù)給予項(xiàng)目組的專業(yè)指導(dǎo)，而且得到了南京市溧水區(qū)政府和南京溧水區(qū)高新技術(shù)投資有限公司的大力支持。本實(shí)驗(yàn)也得到航天員乘組和支撐實(shí)驗(yàn)的載人航天系統(tǒng)人員的大力支持！