[發(fā)明專利]一種基于仿生黏附材料的微重力環(huán)境下肢骨肌鍛煉裝置

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• 申請日: 2021-12-29
• 公開（公告）號: CN114288616A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴振東;姬科舉;胡卓揚;王周義;陳健;趙家輝;霍婷薇
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué);南京艾德恒信科技有限公司
• 主分類號: A63B23/04
• 分類號: A63B23/04
• 代理公司: 江蘇蘇源律師事務(wù)所 32588
• 代理人: 劉林

本發(fā)明公開了一種基于仿生黏附材料的微重力環(huán)境下肢骨肌鍛煉裝置，該裝置由仿生黏附鞋和訓(xùn)練平板構(gòu)成；仿生黏附鞋底部具有可以產(chǎn)生黏附力的微結(jié)構(gòu)陣列，訓(xùn)練平板由輕質(zhì)合金平板，硅橡膠涂覆層以及固定用黏附材料構(gòu)成。本方案利用仿生黏附材料與訓(xùn)練平板表面接觸時產(chǎn)生的真空吸附力與范德華力的協(xié)同黏附力模擬空間環(huán)境下缺失的重力，仿生黏附裝置不但可增加在失重環(huán)境下鍛煉過程中的足底接觸力，提高對下肢骨肌系統(tǒng)的刺激量，減緩由微重力引起的骨流失和肌萎縮；還可協(xié)助航天員在作業(yè)過程中基于腳位置固定，把鍛煉結(jié)合到日常作業(yè)中，和地面作業(yè)更加接近，提升航天員在失重環(huán)境下的持續(xù)作業(yè)效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器材領(lǐng)域，具體涉及一種基于仿生黏附材料的微重力環(huán)境下肢骨肌鍛煉裝置。

背景技術(shù)

航空航天領(lǐng)域是人類認識和改造自然進程中最具影響力的科學(xué)領(lǐng)域之一，載人航天技術(shù)水平不僅能體現(xiàn)一個國家的綜合國力，更是與國防力量和國家安全息息相關(guān)。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，需要航天員去執(zhí)行的空間站任務(wù)越來越多，航天員在空間站中停留的時間也不斷增加。研究表明，微重力還容易造成航天員心血管功能失調(diào)、骨質(zhì)脫鈣、肌肉萎縮等一系列生理效應(yīng)，這樣會嚴重影響航天員的身體健康以及航天任務(wù)的順利進行。體育鍛煉具有調(diào)節(jié)血液循環(huán)，增強心肺儲備，強化骨骼肌肉系統(tǒng)，增強免疫系統(tǒng)等功能，因此能有效緩解失重環(huán)境下對航天員的不利影響。如果航天員需要長期在微重力環(huán)境中工作，運動鍛煉必不可少。目前國際空間站所用體育設(shè)備主要由拉力器、抗阻力鍛煉裝置、跑臺和自行車功量計等組成，鍛煉類型通常由有氧鍛煉(耐力鍛煉)和無氧鍛煉(力量鍛煉)組成。盡管如此，仍不能完全阻止人體諸多生理系統(tǒng)的明顯改變，總體防護效果并不盡如人意。利用跑臺進行鍛煉被認為是當前航天飛行中最有效的一種鍛煉方法。美國和俄羅斯的空間站中都有跑臺裝置，跑臺裝置通過一力加載機構(gòu)結(jié)合背帶束縛裝置將航天員固定在跑臺上，并沿人體軸向施加一定的拉力作用在肩部或腰部，讓航天員在失重環(huán)境下得以利用跑臺進行靜立、行走、跑、跳等動作。跑臺裝置雖然能起到較好的鍛煉效果，但是其占用空間相對較大，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且其功能單一，不能實現(xiàn)航天員作業(yè)過程中基于腳的位置固定。采用基于仿生黏附材料的鍛煉裝置，能夠在航天員鞋底與艙內(nèi)表面之間引入一個可靠黏附、方便脫附的力，利用界面之間的作用力(黏附力-壓力)產(chǎn)生對下肢骨肌系統(tǒng)的刺激量，維持航天員肌肉的正常功能。驗證航天員微重力環(huán)境下基于仿生黏附裝置的骨肌系統(tǒng)力刺激的有效性，促進航天員在軌骨肌系統(tǒng)訓(xùn)練多樣性發(fā)展。與此同時，系列化仿生黏附裝置的研發(fā)，兼顧航天員行走、鍛煉和固定等作業(yè)功能，延伸了航天員在艙內(nèi)的作業(yè)模式，能夠為航天員綜合提升作業(yè)效率。因此，有必要開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)緊湊，既能起到鍛煉的作用，又能輔助航天員實現(xiàn)太空艙內(nèi)行走的鍛煉裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于仿生黏附材料的微重力環(huán)境下肢骨肌鍛煉裝置，以解決航天員因長時間處于失重環(huán)境中而產(chǎn)生的健康問題，同時實現(xiàn)航天員在作業(yè)過程中腳部的固定，使航天員在空間站中的移動更為便捷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于仿生黏附材料的微重力環(huán)境下肢骨肌鍛煉裝置，主要由仿生黏附鞋與訓(xùn)練平板兩部份構(gòu)成，所述仿生黏附鞋由航天鞋本體和仿生黏附材料兩部分組成；所述訓(xùn)練平板正面中間區(qū)域為黏附區(qū)域，正面兩側(cè)和背面中部由硅膠覆蓋，背面兩側(cè)區(qū)域為固定用黏附材料。

進一步地，所述航天鞋采用高幫設(shè)計，通過鞋帶和尼龍搭扣相結(jié)合的方式固定于腳部。

進一步地，仿生黏附材料與航天鞋鞋底之間采用膠結(jié)劑或者絲線縫紉連接。

進一步地，仿生黏附材料基材為聚氨酯或有機硅橡膠。

進一步地，訓(xùn)練平板主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為輕質(zhì)合金材質(zhì)或防爆玻璃。

進一步地，訓(xùn)練平板其正面工作區(qū)域表面粗糙度不大于Ra1.0.

進一步地，所述黏附材料具有末端膨大結(jié)構(gòu)，與接觸界面之間能產(chǎn)生范德華力和真空吸附力。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下有益效果：