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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) durant...

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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 abarca todas las acciones o métodos utilizados para desplazarse en condiciones de microgravedad a través del espacio exterior . La locomoción en estas condiciones difiere de la locomoción en un campo gravitatorio . Existen muchos factores que contribuyen a estas diferencias, y son cruciales al investigar la supervivencia a largo plazo de los seres humanos en el espacio.

Desafíos de la locomoción en gravedad reducida

Los 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 extremas y requieren un equipo extenso para la supervivencia y la realización de las actividades diarias. [ 2 ] Hay muchos factores ambientales a considerar 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 protegerse del vacío del espacio. [ 5 ] La exposición a este entorno hostil puede causar la muerte en poco tiempo. Los principales factores ambientales de preocupación en el espacio incluyen, entre otros, los siguientes: [ 6 ]

  • falta de oxígeno
  • Diferencias extremas de presión y temperatura
  • niveles de radiación más altos

Efectos en el cuerpo humano

Existen muchos efectos perjudiciales de la exposición prolongada a la gravedad reducida que son similares al envejecimiento y las enfermedades. [ 1 ] [ 2 ] Algunos efectos de larga duración de la gravedad reducida pueden simularse en la Tierra mediante el reposo en cama . [ 1 ] Estos efectos incluyen: [ 2 ] [ 7 ]

  • atrofia muscular [ 8 ]
  • desacondicionamiento (por ejemplo, constricción arterial, pérdida de densidad ósea [ 9 ] [ 10 ] )
  • síntomas similares al envejecimiento o a la enfermedad
  • desplazamientos de fluidos hacia la cabeza (dolores de cabeza, congestión sinusal/nasal, hinchazón facial) [ 1 ]
  • disminución del volumen muscular [ 10 ]
  • Disminución de la resistencia ósea y fractura
  • aumento de la fatiga y pérdida de fuerza general
  • disminución del control locomotor [ 11 ]
  • mareo por movimiento
  • problemas de visión
  • flatulencia excesiva
  • otros efectos físicos
  • efectos psicológicos

El volumen muscular puede disminuir hasta un 20 % durante una misión de seis meses, y la densidad ósea puede disminuir a una tasa de aproximadamente un 1,4 % en la cadera en un mes. [ 10 ] Un estudio realizado por Fitts y Trappe examinó los efectos de los vuelos espaciales prolongados (definidos como aproximadamente 180 días) en el músculo esquelético humano mediante biopsias musculares. [ 12 ] Se demostró que la ingravidez prolongada causa una pérdida significativa en la masa, la fuerza y ​​la producción de 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 numerosas tecnologías de contramedida con diversos grados de éxito.

Estimulación muscular eléctrica NMES para la espalda.

Estimulación eléctrica

La estimulación muscular eléctrica transcutánea (EMS) consiste en 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 respaldara que este método necesariamente previniera estos efectos. [ 2 ] Más recientemente, en 2003, Yoshida et al. realizaron un estudio relacionado con la suspensión de las extremidades posteriores en ratas. [ 2 ] Este estudio concluyó que la suspensión de las extremidades posteriores y la EMS tuvieron cierto éxito en la prevención del deterioro de la función muscular inducido por la falta de uso. [ 15 ] Se han realizado varios estudios científicos que mencionan la aplicación de esta técnica como contramedida en vuelos espaciales de larga duración. [ 16 ]

Trajes de carga

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

El comandante de la Expedición 43 y astronauta de la NASA, Terry Virts, muestra un traje especial para su preparación para regresar a la Tierra. Virts tuiteó esta imagen con una explicación del propósito del traje el 12 de mayo de 2015: "Nuestro traje 'Pingüino (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 prevenir la atrofia de los músculos de la espalda. [ 17 ] Este traje ligero cuenta con 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 40  kg (88  lb). Los usuarios han encontrado este traje caluroso e incómodo, a pesar de su bajo peso. [ 18 ]

Traje de contramedidas de carga por gravedad (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 ] Empleando materiales elásticos para colocar cargas en 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 través del cuerpo que aumenta gradualmente la carga sobre el peso corporal en los pies. [ 9 ] Se han desarrollado iteraciones adicionales 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

  • Concepto DYNASUIT [ 18 ]

El DYNASUIT es un diseño conceptual que consiste en un traje dividido en varios subsistemas. Cada subsistema controla un aspecto diferente del traje. Por ejemplo, existe un subsistema de bioparámetros que mediría respuestas fisiológicas como señales musculares ( EMG ), frecuencia cardíaca, electrocardiograma, frecuencia respiratoria, temperatura corporal, presión arterial y saturación de oxígeno. También incluye una unidad de control central, equivalente al cerebro del traje, así como un subsistema de músculos artificiales que propone utilizar polímeros electroactivos (EAP) o neumática para aplicar fuerzas al cuerpo. Además, se propone una interfaz de usuario para facilitar la interacción del astronauta con el traje. Este diseño potencial aún se encuentra en fase de desarrollo y no se ha creado un prototipo.

Terapia farmacológica

En general, la forma en que el cuerpo humano absorbe los medicamentos en condiciones de gravedad reducida es significativamente diferente a las propiedades de absorción normales aquí en la Tierra. [ 25 ] Además, existen diversas terapias farmacológicas 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 espacial y la intolerancia ortostática . [ 26 ] Se ha propuesto el uso de alendronato biofosfato para ayudar a prevenir la pérdida ósea, pero no se ha encontrado evidencia concluyente que demuestre que ayuda en este sentido. [ 27 ] Consulte la lectura recomendada para obtener más información sobre farmacología espacial.

Gravedad artificial

La gravedad artificial (GA) es el aumento o la disminución de la fuerza gravitatoria sobre un objeto o persona por medios artificiales. [ 2 ] Se pueden utilizar diferentes tipos de fuerzas, incluyendo la aceleración lineal y la fuerza centrípeta , para generar esta fuerza gravitatoria 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 vuelos espaciales prolongados y 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 y además expuesto a 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 gravedad artificial no mostró un déficit tan severo en términos de área de sección transversal de la fibra muscular. [ 33 ]

Aunque esta tecnología tiene el potencial de 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 ] Rotar 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 una 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 llamado ViGAR (Gravedad Virtual Realidad Artificial) 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 impide que las fuerzas del ejercicio se transmitan a la Estación Espacial Internacional (ISS). Este dispositivo se utiliza de forma muy similar a una cinta de correr convencional. Para sujetar al usuario a la superficie de la cinta, incorpora un sistema de correas denominado sistema de sujeción elástica en serie (SBS), que utiliza tubos de látex o correas llamadas «dispositivos de carga del sujeto» (SLD) unidos a un arnés. Estas correas ejercen fuerzas y cargas de resistencia de entre 40  lb y 220  lb sobre el cuerpo del miembro de la tripulación mientras camina o corre en la cinta.

Cicloergómetro con aislamiento de vibraciones (CEVIS)

La astronauta de la NASA Sunita Williams, ingeniera de vuelo de la Expedición 32, realiza 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 aplicada al sujeto se puede ajustar con gran precisión. Los astronautas pueden establecer objetivos de velocidad, carga de trabajo y frecuencia cardíaca. Es una versión modificada del cicloergómetro de aislamiento y estabilización de vibraciones inerciales (IVIS). [ 41 ] Cuenta con 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 de pedaleo varían de 30 a 120 rpm. Dispone de un sistema de aislamiento de vibraciones que impide que los movimientos y las fuerzas generadas por el miembro de la tripulación durante el ejercicio se transmitan 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 provisional de ejercicios de resistencia (iRED)

SS017E006639 (11 de mayo de 2008) - El astronauta de la NASA Garrett Reisman , ingeniero de vuelo de la Expedición 17 , con almohadillas de arnés para sentadillas, realiza flexiones de rodillas utilizando el equipo del Dispositivo Provisional de Ejercicio Resistivo (IRED, por sus siglas en inglés) en el módulo Unity de la Estación Espacial Internacional.

El iRED [ 10 ] [ 42 ] proporciona al usuario ejercicio de resistencia que ayuda 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 para la parte superior e inferior del cuerpo y proporciona una  fuerza de resistencia de hasta 300 lb. Algunos ejemplos de ejercicios posibles incluyen, entre otros: sentadillas, peso muerto con piernas rectas, peso muerto con piernas flexionadas, elevación de talones, remo con barra, remo vertical, curl de bíceps, press de hombros, etc.

Se utilizaba 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 Avanzado de Ejercicio Resistivo (ARED) [ 43 ] .

Otros métodos de ejercicio para usar en el espacio

  • Dispositivo de ejercicio con volante de inercia (FWED) [ 44 ]
    El astronauta de la ESA, Frank De Winne, realiza el ejercicio de remo sentado en el dispositivo de ejercicio Flywheel (FWED) en el laboratorio Columbus de la Estación Espacial Internacional.
  • Estimulador de contramedidas integradas multipropósito (M-ICS) [ 44 ]
  • Ejercicio de vibración resistiva [ 44 ]
  • Ejercitador integrado de contramedidas y rehabilitación (ICARE) [ 44 ]
  • Centrífuga humana de brazo corto [ 44 ]
  • Ejercicio de presión negativa para la parte inferior del cuerpo (LBNP) [ 35 ] [ 45 ]

Eficacia y evaluación de estos métodos

El TVIS y el iRED son en gran medida ineficaces en lo que respecta al mantenimiento del volumen muscular y la densidad ósea. [ 10 ] [ 46 ] [ 47 ] Tanto el TVIS como el iRED no pueden generar fuerzas similares a las experimentadas en la Tierra. [ 10 ] Los arneses y las cuerdas elásticas utilizadas en muchos de estos dispositivos causan una incomodidad considerable y, en el futuro, deben rediseñarse para facilitar su uso prolongado. [ 48 ] El CEVIS, en su configuración máxima, es el único dispositivo permanente en la ISS que puede alcanzar cargas resistivas comparables a las de la Tierra. [ 10 ] El FWED (utilizado en la ISS en 2009; foto), adaptado para el reposo experimental en cama en 1 g, alcanzó fuerzas resistivas que superaban el peso corporal y mitigó la atrofia ósea y muscular. [ 49 ]

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

  • Sistema de Investigación y Ejercicio sobre la Atrofia Muscular (MARES)
  • Sistema portátil de función pulmonar (PPFS)
  • Colector de sangre arterializado del lóbulo de la oreja (EAB C)
  • Sistema de Vigilancia Médica a Largo Plazo (LTMS)
  • Sistema de imágenes de rayos X compatible con la ISS
  • Sistemas de biorretroalimentación y realidad virtual: Sistema de realidad virtual mejorado (eVRS)
Centro de masas en una pierna sin masa que se desplaza siguiendo 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 los instantes 1 y 2.

Cinemática de la locomoción en el espacio

Véase también : Bipedismo , Caminar 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 la cinemática de la locomoción en el espacio debe estudiarse 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 afirma que diferentes mamíferos se mueven de manera dinámicamente similar cuando viajan a una velocidad donde tienen la misma relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas gravitatorias. [ 52 ] Esta relación se llama número de Froude y es un parámetro adimensional que permite comparar la marcha de animales de diferentes tamaños y especies. [ 52 ] El número de Froude se basa en la masa de la persona, la longitud de las piernas, la velocidad de la persona y la aceleración gravitatoria. [ 53 ] Indica el punto en el que una persona pasa de caminar a correr y suele ser de alrededor de 0,5 para los humanos en la gravedad terrestre. [ 53 ] A niveles reducidos de gravedad, los individuos pasan a correr a velocidades más lentas, pero aún aproximadamente con el 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, al usar 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 número de Apolo en 2009. [ 59 ] El número de Apolo 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 y 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

Véase también : Traje espacial , Sistemas bioenergéticos

En la Tierra, se necesita la mitad de energía para caminar una milla en comparación con correr la misma distancia. [ 60 ] En cambio, 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 cierta alteración de la cinemática normal de la marcha en este entorno. [ 62 ] Al correr 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 otras evidencias indica que los trajes espaciales se comportan de manera similar a los resortes al correr, lo que a su vez disminuiría el costo del transporte en comparación con caminar. [ 61 ] Un estudio de Christopher Carr y Dava Newman sugirió que la causa de este comportamiento similar al de 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 con un traje espacial. [ 63 ] El costo metabólico se refiere al costo energético de una actividad física. De cara a futuras misiones espaciales y la colonización, es importante considerar las limitaciones de la EVA. [ 63 ] Los aspectos que más influyen en el costo energético del movimiento con 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

Lecturas adicionales

  • Farmacología espacial por Virginia E. Wotring
  • Preparándose para el espacio: La evolución del traje espacial, por Lloyd Mallan
  • Artículo sobre GLCS http://www.americanscientist.org/blog/pub/a-space-suit-that-squeezes

Referencias

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