宇宙での移動

STS-116ミッションスペシャリスト、NASA宇宙飛行士ロバート・カービームとESA宇宙飛行士クリステル・フグルサングが国際宇宙ステーションの建設中に船外活動（EVA）を実施

宇宙における移動とは、微小重力環境下で宇宙空間を移動するために用いられるあらゆる動作や方法を指します。微小重力環境における移動は、重力場における移動とは異なります。これらの違いには多くの要因が関与しており、宇宙における人間の長期生存を研究する上で非常に重要です。

低重力下での移動の課題

人間は1G環境で進化してきたため、地球の標準的な大気条件に慣れており、宇宙の微小重力環境は人体とその運動に大きな影響を与える可能性があります。[ 1 ]

環境条件

宇宙の環境条件は過酷であり、生存と日常活動の遂行には広範な装備が必要となる。[ 2 ]宇宙飛行士が作業する宇宙船の内外には、考慮すべき環境要因が多数存在する。[ 2 ]これらの要因には、無重力状態での移動、宇宙の目的地まで移動するために必要な一般的な装備、移動を妨げる宇宙服などの装備などが含まれるが、これらに限定されない。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

船外活動（EVA）を行う際には、宇宙の真空状態から身を守ることが重要です。[ 5 ]この過酷な環境に曝露されると、短時間で死に至る可能性があります。宇宙における主な環境要因としては、以下のようなものが挙げられますが、これらに限定されるものではありません。[ 6 ]

  • 酸素不足
  • 極端な圧力と温度差
  • より高い放射線レベル

人体への影響

低重力に長時間さらされることで、老化や病気に似た多くの有害な影響が生じる。[ 1 ] [ 2 ]低重力の長期的な影響のいくつかは、地球上で安静にすることでシミュレートできる。[ 1 ] これらの影響には以下が含まれる。[ 2 ] [ 7 ]

筋肉量は6ヶ月のミッションで最大20％減少し、骨密度は股関節で1ヶ月で約1.4％減少する可能性があります。[ 10 ]フィッツとトラップによる研究では、筋肉生検を用いて長期間の宇宙飛行（約180日間と定義）が人間の骨格筋に及ぼす影響を調べました。[ 12 ]長期間の無重力状態は、ヒラメ筋と腓腹筋の質量、力、および出力の大幅な低下を引き起こすことが示されました。[ 12 ]これらの影響に対する多くの対策が存在しますが、これまでのところ宇宙旅行の有害な影響を補うのに十分ではなく、宇宙飛行士は地球に帰還した後に大規模なリハビリテーションを必要とします。[ 13 ]

悪影響を補うために使われる技術

微小重力への長期曝露による悪影響を補うために、科学者たちはさまざまな成功度の対策技術を数多く開発してきました。

背中の電気筋肉刺激NMES。

電気刺激

経皮的電気筋肉刺激（EMS）は、電流を用いて筋肉の活動を刺激する。[ 2 ] [ 14 ]この方法は、理論的には筋萎縮や筋力低下の予防に利用されている。この方法の有効性は、1989年にデュオボワザンが行った30日間の安静研究で検証された。[ 2 ] [ 14 ]刺激を受けた肢の筋萎縮率は患者で低下したものの、この方法が必ずしもこれらの影響を予防することを裏付ける証拠はなかった。[ 2 ]より最近では、2003年に吉田らがラットの後肢懸垂に関する研究を行った。[ 2 ]この研究では、後肢懸垂とEMSは、不使用によって引き起こされる筋機能低下の予防に一定の効果があると結論付けられた。[ 15 ]長期宇宙飛行の対策としてこの技術の応用に言及した科学的研究がいくつか実施されている。[ 16 ]

スーツの装填

ローディングスーツは、宇宙滞在中に骨への負荷を維持するために使用される衣服であり、国際宇宙ステーション（ISS）などの乗り物の外部の厳しい気候で宇宙飛行士が生き残るのを助ける宇宙服と混同しないでください。

第43次長期滞在の指揮官であり、NASAの宇宙飛行士でもあるテリー・ヴァーツ氏は、地球への帰還準備のための特別な宇宙服を披露しました。ヴァーツ氏は2015年5月12日、この画像と宇宙服の用途についてツイートしました。「私たちの『ペンギンスーツ』は、重力への帰還に備えて体を圧縮するものです」

ピンビンスーツ

ピンビンスーツは、宇宙飛行中に特定の筋肉群に筋骨格系の負荷をかけ、背中の筋肉の萎縮を防ぐように設計されています。[ 17 ]この軽量スーツには、これらの垂直方向の負荷を生み出すための一連の弾性バンドが付いています。[ 9 ]上半身と下半身に別々に負荷をかけます。[ 9 ]上半身には最大88ポンド（40kg）の負荷をかけることができます。軽量であるにもかかわらず、使用者はこのスーツが暑くて不快だと感じています。[ 18 ]

重力負荷対策スキンスーツ（GLCS）

GLCS [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]は、筋骨格のデコンディショニングの影響を軽減するために設計された衣服です。これは、1970年代から使用されているロシアの宇宙服であるピンビンスーツ[ 22 ]に部分的にヒントを得ています。 [ 9 ]弾性素材を使用して体に負荷をかけるGLCSは、立っているときに感じる重力負荷を模倣しようとします。[ 9 ] [ 23 ] 2009年に、初期デザインの実現可能性を評価するために、放物線飛行でパイロットスタディが実施されました。[ 9 ]このスキンスーツは、体全体に負荷勾配を作り出し、足元への体重負荷を徐々に増加させます。[ 9 ]初期デザインのさらなる反復が開発され、現在、現在のバージョンのスーツは、 ESAが後援する研究プロジェクトの一環としてISSでテストされています。[ 24 ]

その他のローディングスーツ

DYNASUITは、複数のサブシステムに分割可能なスーツの概念設計です。各サブシステムは、スーツの異なる側面を制御します。例えば、筋信号（EMG）、心拍数、心電図、換気量、体温、血圧、酸素飽和度といった生理学的反応を測定する生体パラメータサブシステムがあります。また、スーツの脳に相当する中央制御ユニットや、電気活性ポリマー（EAP）または空気圧のいずれかを用いて体に力を加えることを提案する人工筋肉サブシステムもあります。さらに、宇宙飛行士がスーツを操作するためのユーザーインターフェースも提案されています。この潜在的な設計はまだ開発段階にあり、現時点ではプロトタイプは作成されていません。

薬物療法

一般に、低重力状態で人体が薬を吸収する方法は、地球上での通常の吸収特性とは大きく異なります。[ 25 ]さらに、長期宇宙飛行の特定の副作用に対抗するために使用されるさまざまな薬理学的または薬物療法があります。[ 25 ]たとえば、デキストロアンフェタミンは、NASAによって宇宙乗り物酔いと起立性不耐症の治療に使用されています。[ 26 ]バイオリン酸塩アレンドロン酸の使用は、骨量減少の予防に役立つと提案されていますが、この点で効果があることを示す決定的な証拠は見つかっていません。[ 27 ]宇宙薬理学の詳細については、推奨図書を参照してください。

人工重力

人工重力（AG）とは、物体または人に対する重力を人工的な手段で増加または減少させることである。 [ 2 ]直線加速度や向心力など、さまざまな種類の力を使用して、この人工重力を生成することができる。[ 2 ]

地球上での模擬微小重力（例えば、ベッドレスト）に対抗するために人工重力を使用することは、骨、筋肉、心臓血管系の維持について相反する結果をもたらすことが示されている。[ 1 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]短腕遠心分離機は、重力よりも大きな負荷条件を生成するために使用でき、長期の宇宙飛行やベッドレストに関連する骨格筋と骨の損失を防ぐのに役立つ可能性がある。[ 31 ] [ 32 ] 2008 年に Caiozzo と Haddad によって行われた予備研究[ 7 ]では、2 つの被験者グループを比較した。1 つは（長期の宇宙旅行の影響を模擬するため）21 日間ベッドレストをしていたグループ、もう 1 つはベッドレストに加えて 1 日 1 時間人工重力にさらされていたグループである。彼らは短腕遠心分離機を使用して人工的に重力を誘発した。筋肉生検サンプルを採取した後、人工重力にさらされたグループは、筋線維の断面積に関してそれほど深刻な欠損を示さなかったことが判明した。[ 33 ]

この技術は長期宇宙飛行による有害な影響を軽減する可能性を秘めているものの、これらの人工重力システムを宇宙空間に適用するには困難が伴う。[ 1 ] [ 34 ]宇宙船全体を回転させるには費用がかかり、設計に新たな複雑さをもたらす。[ 1 ]小型の遠心分離機を使用すれば断続的な曝露が可能となるが、十分な人工重力を発生させるには高速回転が必要となるため、小型遠心分離機内で行える運動量は限られる。被験者は遠心分離機内で「不快な前庭効果およびコリオリ効果」を経験する可能性がある。[ 1 ] [ 35 ]

いくつかの研究では、人工重力は、特に他の対策と組み合わせることで、長期宇宙飛行に対する適切な対策となる可能性があることが示唆されている。[ 1 ] [ 7 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] 2005年にコブリックらによって提案されたViGAR（Virtual Gravity Artificial Reality）と題された概念設計は、人工重力、運動、仮想現実を融合させ、長期宇宙飛行の悪影響に対抗する装置の詳細を示している。この装置には、遠心分離機に載せられた自転車と統合型仮想現実システムが含まれている。[ 13 ]

運動方法

バンジーハーネスを装着した第14次長期滞在のフライトエンジニアである宇宙飛行士スニタ・L・ウィリアムズが、国際宇宙ステーションのズヴェズダ・サービスモジュール内のトレッドミル振動絶縁システム（TVIS）で運動している。

トレッドミルの振動遮断と安定化（TVIS）

TVIS [ 10 ] [ 39 ]は改良されたトレッドミルです。振動遮断システムを備えており、運動による力が国際宇宙ステーション（ISS）に伝わるのを防ぎます。この装置は通常のトレッドミルとほぼ同じように使用されます。使用者をトレッドミルの表面に保持するために、シリーズバンジーシステム（SBS）と呼ばれるストラップシステムが搭載されています。これは、ハーネスに取り付けられた「サブジェクトロードデバイス」（SLD）と呼ばれるラテックスチューブまたはストラップで構成されています。これらのストラップは、トレッドミル上を歩いたり走ったりする際に、乗組員の体に40ポンドから220ポンドの範囲の抵抗力と負荷をかけます。

振動絶縁機能付き自転車エルゴメーター（CEVIS）

NASAの宇宙飛行士、第32次長期滞在のフライトエンジニアであるスニータ・ウィリアムズさんは、国際宇宙ステーションのデスティニー実験室で、振動絶縁システム（CEVIS）を備えた自転車エルゴメーターで運動しています。

CEVIS [ 10 ] [ 40 ]は、リカンベントサイクリング活動を使用して有酸素運動と心血管トレーニングの両方を提供します。被験者に課される作業負荷を非常に正確に調整できます。宇宙飛行士は、速度、作業負荷、心拍数の目標を設定できます。これは、慣性振動隔離および安定化 (IVIS) サイクルエルゴメータの改良版です。[ 41 ]コントロールパネルがあり、サイクリング速度、心拍数、目標速度と心拍数からの偏差、経過運動時間に加えて、目標作業負荷と実際の作業負荷が表示されます。作業負荷の範囲は25〜350ワットです。ペダル速度は30〜120rpmです。振動隔離システムがあり、運動中の乗組員の動きや力が国際宇宙ステーション(ISS) に伝わるのを防ぎます。

この装置は、現在、国際宇宙ステーションで宇宙飛行士の毎週の運動スケジュールの一部として使用されており、軌道上で15年間使用されることが認定されています。

暫定抵抗運動装置（iRED）

SS017E006639 (2008 年 5 月 11 日) - NASA の宇宙飛行士で第 17 次長期滞在のフライトエンジニアであるギャレット ライスマン氏が、スクワット ハーネス パッドを装着し、国際宇宙ステーションのユニティ ノードにある暫定抵抗運動装置 (IRED) 装置を使用して膝を曲げる運動を行っています。

iRED [ 10 ] [ 42 ]は、筋萎縮を防ぎ、骨粗鬆症を最小限に抑える抵抗運動をユーザーに提供します。クルーメンバーの筋力、パワー、持久力の維持に重点を置いています。上半身と下半身の両方で18種類以上のエクササイズが用意されており、最大300ポンド（約135kg）の抵抗力を発揮します。可能なエクササイズの例としては、スクワット、ストレートレッグデッドリフト、ベントレッグデッドリフト、ヒールレイズ、ベンドオーバーロー、アップライトロー、バイセップカール、ショルダープレスなどが挙げられますが、これらに限定されるものではありません。

これは乗組員の運動プログラムの一環として毎日使用されていましたが、2011年10月に退役しました。現在は、高度抵抗運動装置（ARED）[ 43 ]が使用されています。

宇宙で使えるその他の運動方法

  • フライホイール運動装置（FWED）[ 44 ]
    ESAの宇宙飛行士フランク・デ・ウィネは、国際宇宙ステーションのコロンバス実験室でフライホイール運動装置（FWED）を使って座位ローイングを行っている。
  • 多目的統合対抗手段刺激装置（M-ICS）[ 44 ]
  • 抵抗振動運動[ 44 ]
  • 統合対策・リハビリテーション演習（ICARE）[ 44 ]
  • 短腕型人間遠心分離機[ 44 ]
  • 下半身陰圧運動（LBNP）[ 35 ] [ 45 ]

これらの方法の有効性と評価

TVISとiREDは、筋肉量と骨密度の維持に関してはほとんど効果がありません。[ 10 ] [ 46 ] [ 47 ] TVISとiREDはどちらも、地球上で経験するような力を生成することはできません。[ 10 ] これらのデバイスの多くで使用されているハーネスとバンジーコードは、かなりの不快感を引き起こすため、将来的には長時間の使用を容易にするために再設計する必要があります。[ 48 ] CEVISは、最大設定で、地球に匹敵する抵抗負荷を実現できるISSで唯一の常設デバイスです。[ 10 ] FWED（2009年にISSで飛行、写真）は、1Gでの実験的ベッドレストに改造され、体重を超える抵抗力を実現し、骨と筋肉の萎縮を軽減しました。[ 49 ]

欧州宇宙機関は、さまざまな対抗手段技術の有効性を評価するために、さまざまな装置を採用している。[ 44 ]

  • 筋萎縮研究運動システム（MARES）
  • ポータブル肺機能システム（PPFS）
  • 耳たぶ動脈採血器（EAB C）
  • 長期医療調査システム（LTMS）
  • ISS対応X線画像システム
  • バイオフィードバックとバーチャルリアリティシステム：拡張バーチャルリアリティシステム（eVRS）
倒立振子理論において、質量のない脚の重心が体幹の軌道に沿って移動する様子。時刻1と時刻2における床反力に垂直な速度ベクトルが示されている。

宇宙における移動の運動学

参照：二足歩行、歩行、歩行分析

重力は歩行速度、筋肉の活動パターン、歩行の遷移、移動の力学に大きな影響を与えます。[ 50 ] [ 51 ]つまり、その環境での動きを最適化するためには、宇宙での移動の運動学を研究する必要があるということです。

地球上では、身長や体重の異なる人々の歩行を比較するために、動的相似性仮説が用いられている。 [ 52 ]この仮説によれば、異なる哺乳類は、慣性力と重力の比が同じになる速度で移動する場合、力学的に類似した動きをする。[ 52 ]この比はフルード数と呼ばれ、異なるサイズや種の動物たちの歩行を比較できる無次元パラメータである。[ 52 ]フルード数は、人の質量、脚の長さ、人の速度、重力加速度に基づいている。[ 53 ]これは、人が歩行から走行に切り替わるポイントを示しており、地球の重力下では、人間の場合、通常 0.5 程度である。[ 53 ]重力レベルが低下すると、人はより遅い速度で走行に切り替わるが、それでもフルード数はほぼ同じである。[ 54 ] [ 55 ]

宇宙での移動を研究する場合、これらの関係は必ずしも当てはまるわけではありません。例えば、歩行に関する倒立振り子モデルは、低重力状態では適用できない可能性があります。[ 56 ]さらに、宇宙服を着用すると、フルード数に非常に明らかな違いが見られます。[ 57 ] [ 58 ] MITのクリストファー・カーとジェレミー・マギーは、2009年にアポロ数と呼ばれる修正パラメータを開発しました。[ 59 ]アポロ数は、宇宙服が支える重量と重力加速度の差を考慮に入れています。[ 59 ]アポロ数は、宇宙服を着用しての歩行と宇宙服を着用しない歩行の差をすべて説明できるわけではありませんが、その差の60%を説明しており、将来の宇宙服設計の最適化に貴重な情報を提供できる可能性があります。[ 59 ]

宇宙における移動のエネルギー論

参照：宇宙服、生体エネルギーシステム

地球上では、1マイルを歩くのに必要なエネルギーは、同じ距離を走るのに比べて半分です。[ 60 ]対照的に、宇宙服を着て低重力環境で走ることは、歩くよりも効率的です。[ 61 ]一般的に、低重力環境での歩行は代謝コストが高く、この環境にいる間は通常の歩行運動に何らかの乱れが生じます。[ 62 ]低重力環境での走行中、人体のエネルギー消費は体重が減るにつれて比例して減ります。[ 60 ]これを他の証拠と合わせると、宇宙服は走行中にバネのように動作し、歩行に比べて輸送コストが下がることがわかります。[ 61 ]クリストファー・カーとダヴァ・ニューマンによる研究では、このバネのような動作の原因は膝のトルクであると示唆されており[ 61 ]、つまり膝をより大きく曲げる必要がある動きでは、宇宙服の寄与が大きくなるということです。

宇宙における船外活動（EVA）の制限は、宇宙服を着用した移動に伴う代謝コストに関連しています。 [ 63 ]代謝コストとは、身体活動のエネルギーコストを指します。将来の宇宙ミッションや植民地化を見据えると、EVAの制限を考慮することが重要です。[ 63 ]宇宙服を着用した移動に伴うエネルギーコストに最も大きく影響する要素は、「宇宙服の与圧、重力、速度、表面の傾斜、そして宇宙服の形状」です。[ 63 ]

参照

さらに読む

参考文献

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