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Locomoción en el espacio

Los especialistas de la misión STS-116 , el astronauta de la NASA Robert Curbeam y el astronauta de la ESA Christer Fuglesang realizan una actividad extravehicular (EVA) durante la construcción de la Estación Espacial Internacional

La locomoción en el espacio incluye todas las acciones o métodos utilizados para mover el cuerpo en condiciones de microgravedad a través del entorno del espacio exterior . La locomoción en estas condiciones es diferente de la locomoción en un campo gravitatorio . Hay muchos factores que contribuyen a estas diferencias y son cruciales a la hora de investigar la supervivencia a largo plazo de los seres humanos en el espacio.

Desafíos de la locomoción en gravedad reducida

Los seres humanos han evolucionado en un entorno de 1 G y, por lo tanto, están acostumbrados a las condiciones atmosféricas estándar de la Tierra, y el entorno de microgravedad del espacio puede tener enormes efectos en el cuerpo humano y su locomoción. [1]

Condiciones ambientales

Las condiciones ambientales en el espacio son duras y requieren un equipo extenso para sobrevivir y completar las actividades diarias. [2] Hay muchos factores ambientales a tener en cuenta tanto dentro como fuera de una nave espacial en la que trabajan los astronautas. [2] Estos factores incluyen, entre otros, el movimiento durante la ingravidez, el equipo general necesario para viajar al destino deseado en el espacio y el equipo como los trajes espaciales que dificultan la movilidad. [2] [3] [4]

Al realizar actividades extravehiculares (EVA), es importante estar protegido del vacío del espacio. [5] La exposición a este ambiente hostil puede causar la muerte en poco tiempo. Los principales factores ambientales que preocupan en el espacio incluyen, entre otros, los siguientes: [6]

Efectos sobre el cuerpo humano

La exposición prolongada a la gravedad reducida tiene muchos efectos perjudiciales similares al envejecimiento y la enfermedad. [1] [2] Algunos efectos de larga duración de la gravedad reducida se pueden simular en la Tierra mediante el reposo en cama . [1] Estos efectos incluyen: [2] [7]

El volumen muscular puede disminuir hasta un 20% en una misión de seis meses, y la densidad ósea puede disminuir a una tasa de aproximadamente un 1,4% en la cadera en el plazo de un mes. [10] Un estudio realizado por Fitts y Trappe examinó los efectos de un vuelo espacial prolongado (definido como aproximadamente 180 días) en el músculo esquelético humano utilizando biopsias musculares. [12] Se ha demostrado que la ingravidez prolongada causa una pérdida significativa en la producción de masa, fuerza y ​​potencia en los músculos sóleo y gastrocnemio . [12] Existen muchas contramedidas para estos efectos, pero hasta ahora no son suficientes para compensar los efectos perjudiciales de los viajes espaciales y los astronautas necesitan una rehabilitación extensa a su regreso a la Tierra. [13]

Tecnología utilizada para compensar los efectos negativos

Para compensar los efectos negativos de la exposición prolongada a la microgravedad, los científicos han desarrollado muchas tecnologías de contramedidas con distintos grados de éxito.

Estimulación muscular eléctrica NMES para espalda.

Estimulación eléctrica

La estimulación muscular eléctrica transcutánea (EMS) es el uso de corriente eléctrica para estimular la actividad muscular. [2] [14] Este método se utiliza teóricamente para prevenir la atrofia y la debilidad muscular. La eficacia de este enfoque se probó en un estudio de reposo en cama de 30 días realizado por Duovoisin en 1989. [2] [14] Aunque los pacientes mostraron tasas reducidas de atrofia muscular en la extremidad estimulada, no hubo evidencia que apoyara que este método necesariamente evitaría estos efectos. [2] Más recientemente, en 2003, Yoshida et al. realizaron un estudio relacionado con la suspensión de las extremidades traseras en ratas. [2] Este estudio concluyó que la suspensión de las extremidades traseras y la EMS tuvieron cierto éxito en la prevención del deterioro de la función muscular inducido por el desuso. [15] Se han realizado varios estudios científicos que mencionan la aplicación de esta técnica como contramedida en vuelos espaciales de larga duración. [16]

Cargando trajes

Los trajes de carga son prendas que se utilizan para ayudar a mantener la carga en los huesos durante su tiempo en el espacio, que no deben confundirse con los trajes espaciales , que ayudan a los astronautas a sobrevivir al duro clima exterior de un vehículo como la Estación Espacial Internacional (ISS).

El comandante de la Expedición 43 y astronauta de la NASA Terry Virts muestra un traje especial para su proceso de preparación para regresar a la Tierra más tarde. Virts tuiteó esta imagen con una explicación del propósito del traje el 12 de mayo de 2015: "Nuestro traje "Penguin (пингвин)" te comprime para preparar tu cuerpo para el regreso a la gravedad".

Traje de pingvin

El traje Pingvin está diseñado para añadir cargas musculoesqueléticas a grupos musculares específicos durante el vuelo espacial con el fin de evitar la atrofia de los músculos de la espalda. [17] Este traje ligero tiene una serie de bandas elásticas para crear estas cargas corporales verticales. [9] Carga tanto la parte superior como la inferior del cuerpo por separado. [9] La parte superior del cuerpo puede soportar una carga de hasta 88 lb (40 kg). Los usuarios han encontrado que este traje es caluroso e incómodo, a pesar de su bajo peso. [18]

Traje antigravedad con contramedidas (GLCS)

El GLCS [19] [20] [21] es una prenda diseñada para ayudar a mitigar los efectos del desacondicionamiento musculoesquelético. Está parcialmente inspirado en el traje Pingvin, [22] un traje espacial ruso utilizado desde la década de 1970. [9] Al emplear materiales elásticos para colocar cargas sobre el cuerpo, el GLCS intenta imitar las cargas gravitacionales experimentadas al estar de pie. [9] [23] Se realizó un estudio piloto en vuelo parabólico para evaluar la viabilidad del diseño inicial en 2009. [9] Este traje crea un gradiente de carga a lo largo del cuerpo que aumenta gradualmente la carga del peso corporal en los pies. [9] Se han desarrollado más iteraciones del diseño inicial y ahora la versión actual del traje se está probando en la ISS como parte de un proyecto de investigación patrocinado por la ESA . [24]

Otros trajes de carga

El DYNASUIT es un diseño conceptual que implica un traje que se puede dividir en muchos subsistemas. Cada subsistema controla un aspecto diferente del traje. Por ejemplo, hay un subsistema de bioparámetros que mediría las respuestas fisiológicas como las señales musculares ( EMG ), la frecuencia cardíaca, el electrocardiograma, la frecuencia respiratoria, la temperatura corporal, la presión arterial y la saturación de oxígeno. También hay una unidad de control central o el equivalente del cerebro del traje, así como un subsistema de músculos artificiales que propone utilizar polímeros electroactivos (EAP) o neumáticos para aplicar fuerzas sobre el cuerpo. También hay una interfaz de usuario propuesta para ayudar al astronauta a interactuar con el traje. Este diseño potencial todavía está en la fase de desarrollo y no se ha creado ningún prototipo en este momento.

Terapia farmacológica

En general, la forma en que el cuerpo de una persona absorbe la medicina en condiciones de gravedad reducida es significativamente diferente a las propiedades de absorción normales aquí en la Tierra. [25] Además, existen varias terapias farmacológicas o medicamentos que se utilizan para contrarrestar ciertos efectos secundarios de los vuelos espaciales prolongados. [25] Por ejemplo, la NASA ha utilizado dextroanfetamina para ayudar con el mareo por movimiento espacial y la intolerancia ortostática . [26] Se ha propuesto el uso de alendronato de biofosfato para ayudar en la prevención de la pérdida ósea, pero no se ha encontrado evidencia concluyente que demuestre que ayude en este sentido. [27] Consulte la lectura recomendada para obtener más información sobre farmacología espacial.

Gravedad artificial

La gravedad artificial (AG) es el aumento o disminución de la fuerza gravitacional sobre un objeto o persona por medios artificiales. [2] Se pueden utilizar diferentes tipos de fuerzas, incluida la aceleración lineal y la fuerza centrípeta , para generar esta fuerza gravitacional artificial. [2]

Se ha demostrado que el uso de gravedad artificial para contrarrestar la microgravedad simulada (por ejemplo, reposo en cama) en la Tierra tiene resultados contradictorios para el mantenimiento de los sistemas óseo, muscular y cardiovascular. [1] [28] [29] [30] Las centrífugas de brazo corto se pueden utilizar para generar condiciones de carga mayores que la gravedad que podrían ayudar a prevenir la pérdida de músculo esquelético y hueso asociada con el vuelo espacial prolongado y el reposo en cama. [31] [32] Un estudio piloto realizado por Caiozzo y Haddad en 2008 [7] comparó dos grupos de sujetos: uno que había estado en reposo en cama durante 21 días (para simular los efectos de un viaje espacial prolongado) y otro que había estado en reposo en cama además de estar expuesto a la gravedad artificial durante una hora al día. Utilizaron una centrífuga de brazo corto para inducir artificialmente la fuerza gravitacional. Después de tomar muestras de biopsia muscular, determinaron que el grupo que había estado expuesto a la gravedad artificial no mostró un déficit tan grave en términos de área de sección transversal de fibra muscular. [33]

Aunque esta tecnología tiene potencial para ayudar a contrarrestar los efectos perjudiciales de los vuelos espaciales prolongados, existen dificultades para aplicar estos sistemas de gravedad artificial en el espacio. [1] [34] Hacer girar toda la nave espacial es costoso e introduce otra capa de complejidad en el diseño. [1] Se puede utilizar una centrífuga más pequeña para proporcionar exposición intermitente, pero las actividades de ejercicio disponibles en la centrífuga pequeña son limitadas debido a la alta velocidad de rotación necesaria para generar fuerzas gravitacionales artificiales adecuadas. El sujeto puede experimentar "efectos vestibulares y de Coriolis desagradables" mientras está en la centrífuga. [1] [35]

Varios estudios han sugerido que la gravedad artificial podría ser una contramedida adecuada para los vuelos espaciales prolongados, especialmente si se combina con otras contramedidas. [1] [7] [36] [ 37] [38] En 2005, Kobrick et al. propusieron un diseño conceptual titulado ViGAR (Virtual Gravity Artificial Reality) que detalla un dispositivo que combina gravedad artificial, ejercicio y realidad virtual para contrarrestar los efectos negativos de los vuelos espaciales prolongados. Incluye una bicicleta en una centrífuga, así como un sistema de realidad virtual integrado. [13]

Métodos de ejercicio

La astronauta Sunita L. Williams, ingeniera de vuelo de la Expedición 14, equipada con un arnés elástico, realiza ejercicios en el Sistema de Aislamiento de Vibraciones de la Cinta de Correr (TVIS) en el Módulo de Servicio Zvezda de la Estación Espacial Internacional.

Aislamiento y estabilización de vibraciones en cintas de correr (TVIS)

El TVIS [10] [39] es una cinta de correr modificada. Incluye un sistema de aislamiento de vibraciones, que evita que las fuerzas del ejercicio se transfieran a la Estación Espacial Internacional (ISS). Este dispositivo se utiliza de forma muy similar a una cinta de correr normal. Para sujetar al usuario a la superficie de la cinta de correr, incluye un sistema de correas llamado sistema de bungee en serie (SBS) que utiliza tubos o correas de látex llamados "dispositivos de carga del sujeto" (SLD) unidos a un arnés. Estas correas colocan fuerzas y cargas resistivas en un rango de 40 lb a 220 lb sobre el cuerpo del miembro de la tripulación mientras camina o corre en la cinta de correr.

Cicloergómetro con aislamiento de vibraciones (CEVIS)

La astronauta de la NASA Sunita Williams, ingeniera de vuelo de la Expedición 32, hace ejercicios en el cicloergómetro con sistema de aislamiento de vibraciones (CEVIS) en el laboratorio Destiny de la Estación Espacial Internacional

El CEVIS [10] [40] proporciona entrenamiento aeróbico y cardiovascular mediante actividades de ciclismo reclinado. La carga de trabajo que se le impone al sujeto se puede ajustar con mucha precisión. Los astronautas pueden crear objetivos de velocidad, carga de trabajo y frecuencia cardíaca. Es una versión modificada del cicloergómetro de aislamiento y estabilización de vibraciones inerciales (IVIS). [41] Tiene un panel de control que muestra la carga de trabajo objetivo, así como la carga de trabajo real, además de la velocidad de ciclismo, la frecuencia cardíaca, la desviación de la velocidad y la frecuencia cardíaca objetivo y el tiempo de ejercicio transcurrido. El rango de carga de trabajo es de entre 25 y 350 vatios. Las velocidades del pedaleo varían de 30 a 120 rpm. Hay un sistema de aislamiento de vibraciones que evita que los movimientos y las fuerzas generadas por el miembro de la tripulación que hace ejercicio se transfieran a la Estación Espacial Internacional (ISS).

Actualmente se utiliza en la Estación Espacial Internacional como parte del programa de ejercicios semanales de los astronautas y está certificado para 15 años de servicio en órbita.

Dispositivo de ejercicio de resistencia provisional (iRED)

SS017E006639 (11 de mayo de 2008) - El astronauta de la NASA Garrett Reisman , ingeniero de vuelo de la Expedición 17 , usando protectores de arnés para sentadillas, realiza flexiones de rodillas utilizando el equipo del Dispositivo de Ejercicio Resistivo Interino (IRED) en el nodo Unity de la Estación Espacial Internacional.

El iRED [10] [42] proporciona ejercicios de resistencia al usuario que ayudan a prevenir la atrofia muscular y minimizar la pérdida ósea. Se centra en mantener la fuerza, la potencia y la resistencia del miembro de la tripulación. Tiene más de 18 ejercicios diferentes tanto para la parte superior como para la inferior del cuerpo y proporciona una fuerza de resistencia de hasta 300 lb. Algunos ejemplos de ejercicios posibles incluyen, entre otros: sentadillas, levantamientos de peso muerto con piernas rectas, levantamientos de peso muerto con piernas dobladas, elevaciones de talones, remos inclinados, remos verticales, flexiones de bíceps, prensas de hombros, etc.

Se utilizó diariamente como parte del régimen de ejercicios de los miembros de la tripulación, pero se retiró en octubre de 2011. Ahora, se utiliza el Dispositivo de Ejercicio Resistivo Avanzado (ARED) [43] .

Otros métodos de ejercicio para uso en el espacio

Eficacia y evaluación de estos métodos

El TVIS y el iRED son en gran medida ineficaces cuando se trata de mantener el volumen muscular y la densidad ósea. [10] [46] [47] Tanto el TVIS como el iRED no pueden generar fuerzas que sean similares a las experimentadas en la Tierra. [10] Los arneses y cuerdas elásticas utilizadas en muchos de estos dispositivos causan una incomodidad sustancial y en el futuro deben rediseñarse para facilitar su uso a largo plazo. [48] El CEVIS, en su configuración máxima, es el único dispositivo permanente en la ISS que puede lograr cargas resistivas que son comparables a las de la Tierra. [10] El FWED (voló en la ISS en 2009; foto), adaptado para el reposo experimental en cama en 1 g, logró fuerzas resistivas que excedieron el peso corporal y mitigó la atrofia ósea y muscular. [49]

La Agencia Espacial Europea utiliza muchos dispositivos diferentes para evaluar la eficacia de diferentes tecnologías de contramedidas: [44]

Centro de masa de una pierna sin masa que se desplaza a lo largo de la trayectoria del tronco en la teoría del péndulo invertido. Los vectores de velocidad se muestran perpendiculares a la fuerza de reacción del suelo en el momento 1 y el momento 2.

Cinemática de la locomoción en el espacio

Véase también : Bipedalismo , Marcha y Análisis de la marcha.

La gravedad tiene una gran influencia en la velocidad de la marcha, los patrones de actividad muscular, las transiciones de la marcha y la mecánica de la locomoción, [50] [51] lo que significa que es necesario estudiar la cinemática de la locomoción en el espacio para optimizar los movimientos en ese entorno.

En la Tierra, la hipótesis de similitud dinámica se utiliza para comparar la marcha entre personas de diferentes alturas y pesos. [52] Esta hipótesis establece que diferentes mamíferos se mueven de una manera dinámicamente similar cuando viajan a una velocidad en la que tienen la misma relación entre fuerzas inerciales y fuerzas gravitacionales. [52] Esta relación se llama número de Froude y es un parámetro adimensional que permite comparar la marcha de diferentes tamaños y especies de animales. [52] El número de Froude se basa en la masa de la persona, la longitud de la pierna, la velocidad de la persona y la aceleración gravitacional. [53] Indica el punto en el que una persona cambia de caminar a correr y, por lo general, es alrededor de 0,5 para los humanos en la gravedad de la Tierra. [53] En niveles reducidos de gravedad, los individuos cambian a correr a velocidades más lentas, pero aún aproximadamente al mismo número de Froude. [54] [55]

Cuando se estudia la locomoción en el espacio, estas mismas relaciones no siempre se aplican. Por ejemplo, el modelo de péndulo invertido para caminar podría no ser aplicable en condiciones de gravedad reducida. [56] Además, cuando se utiliza un traje espacial, hay diferencias muy evidentes en el número de Froude. [57] [58] Christopher Carr y Jeremy McGee del MIT desarrollaron un parámetro modificado llamado el número Apollo en 2009. [59] El número Apollo tiene en cuenta el peso que soporta el traje espacial, así como la diferencia en la aceleración gravitacional. [59] Si bien no explica todas las diferencias entre caminar con un traje espacial o sin él, representa el 60% de esa diferencia y tiene el potencial de proporcionar información valiosa para la optimización de futuros diseños de trajes espaciales. [59]

Energética de la locomoción en el espacio

Ver también : Traje espacial , Sistemas bioenergéticos

En la Tierra, se necesita la mitad de la cantidad de energía para caminar una milla en comparación con correr la misma distancia. [60] Por el contrario, cuando se usa un traje espacial en condiciones de gravedad reducida, correr es más eficiente que caminar. [61] Generalmente, caminar en gravedad reducida tiene un alto costo metabólico, lo que significa que hay alguna alteración de la cinemática normal de la marcha mientras se está en este entorno. [62] Mientras se corre en condiciones de gravedad reducida, el consumo de energía del cuerpo humano disminuye proporcionalmente a medida que disminuye el peso corporal. [60] Esto combinado con otra evidencia indica que los trajes espaciales se comportan de manera similar a los resortes mientras se corre, lo que a su vez disminuiría el costo de transporte en comparación con caminar. [61] Un estudio de Christopher Carr y Dava Newman sugirió que la causa de este comportamiento similar a un resorte es el torque de la rodilla , [61] lo que significa que en movimientos que requieren una mayor flexión de la rodilla, las contribuciones del traje espacial serán mayores.

Las limitaciones de la actividad extravehicular (EVA) en el espacio están relacionadas con los costos metabólicos de la locomoción en un traje espacial. [63] El costo metabólico se refiere al costo energético de una actividad física. De cara a futuras misiones espaciales y colonizaciones, es importante tener en cuenta las limitaciones de EVA. [63] Los aspectos que juegan el papel más importante en el costo energético del movimiento en un traje espacial son la "presurización del traje, la gravedad, la velocidad, la pendiente de la superficie y la configuración del traje espacial". [63]

Véase también

Lectura adicional

Referencias

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