以人為本：人體工程學解鎖載人航天的核心密碼（上）

中國人體工程學研究院

在人類探索宇宙的宏偉征程中，載人航天始終是技術與勇氣的巔峰結合。而人體工程學以其獨特的視角，提出了一個直擊本質的精彩命題：當人體這一為地球環境量身優化的精密系統，置身于時間、空間、物理場全然異質的太空環境，如何才能安然生存、高效工作并維系身心健康？這一問題不僅精準觸碰了載人航天的核心挑戰，更勾勒出一項宏大而溫暖的系統工程——它不再是讓人類硬扛極端環境，而是以“人”為中心，通過科學設計讓環境主動適應生命需求，在遙遠太空為人類搭建起一座堅實的“生存與發展橋梁”。

從地球到空間站——人體在異質環境中的“溫柔重塑”

地球，是人類億萬年來進化的家園。我們的生理節律、骨骼肌肉、感官認知，早已在1G重力、24小時晝夜交替、開闊空間的環境中形成穩定閉環。而空間站作為人類在太空的“臨時家園”，卻是一個全面顛覆地球常態的“異托邦”：90分鐘一圈的軌道周期、近乎為零的微重力場、密閉狹小的生存空間、深邃孤寂的宇宙背景，每一項都在挑戰人體的適應極限。人體工程學的使命，便是在這種極致差異中，為人體尋找平衡與適配，完成一場跨越星球的“溫柔重塑”。

時間維度：失序節律中的“人工錨點”

在地球上，日出而作、日落而息是刻在人類基因里的生存節律。人體內置的“生物鐘”（晝夜節律）以約24小時為周期，光照的明暗交替、溫度的晝夜波動，都是調節這一節律的天然信號。它們如同精準的時鐘，指引著激素分泌、新陳代謝、睡眠覺醒等一系列生理活動有序開展。

但空間站的時間規則，卻與地球截然不同。每90分鐘繞地球一周的軌道運動，意味著24小時內航天員將經歷16次日出與日落。舷窗外，明亮的白晝與深邃的黑夜飛速交替，原本作為時間錨點的“日出日落”徹底失去了意義——剛剛感受片刻晨光，黑暗便驟然降臨；尚未適應夜色，耀眼的陽光又再次刺破舷窗。這種極端的“時差轟炸”，會直接擾亂下丘腦-垂體-腎上腺軸的功能，導致褪黑素分泌紊亂、睡眠質量下降、注意力不集中，甚至影響免疫功能與情緒穩定，成為航天任務中隱形卻致命的障礙。

面對這種時間失序，人體工程學給出的核心對策，是用“人工秩序”對抗“自然混亂”，為生物鐘重新植入可靠的錨點。

一方面，是建立強制性的精準作息制度。航天員的每一天都由地面任務控制中心根據“協調世界時”進行嚴格規劃，從起床、就餐、工作、鍛煉到睡眠，每個環節都有精確到分鐘的時間表。這種高度結構化的作息安排，通過日復一日的規律重復，讓人體逐漸適應新的時間節奏，在頻繁交替的晝夜中，人為重建起穩定的生理節律。

另一方面，是動態智能的人工照明系統。現代空間站如中國“天和”核心艙、國際空間站，都配備了可精準調節色溫和亮度的LED照明設備，這堪稱人體工程學“引導生物鐘”的典范。早晨，照明系統會模擬地球日出的光線變化，輸出高色溫（偏藍）的光線——這種光線能有效抑制褪黑素分泌，喚醒沉睡的身體，提升航天員的警覺性與工作效率；隨著時間推移，光線的色溫和亮度會緩慢調整，貼合人體的生理節律變化；到了夜晚，系統則切換為低色溫（偏紅）的柔和光線，減少對視覺的刺激，促進褪黑素分泌，幫助航天員放松身心，順利進入深度睡眠。這套系統就像一位“太空燈光師”，用工程技術“欺騙”并引導生物鐘，讓人體在混亂的宇宙時間中，依然能保持健康的晝夜節律。

空間與物理場維度：失重環境下的“逆重力工程”

如果說時間失序是對人體的“軟性挑戰”，那么微重力環境便是對人體生理系統的“硬性沖擊”。在地球上，1G重力是我們生存的基本物理背景，心血管系統的血壓調節、肌肉骨骼的生長維持、前庭系統的空間定位，都依賴于重力的持續作用。而進入空間站后，重力幾乎消失，這個最大的環境約束驟然解除，人體的各項生理系統將面臨全面重構的危機。

心血管系統首當其沖。在重力作用下，地球表面的人體血液會因重力向下半身聚集，心血管系統早已形成了一套穩定的調節機制。但在微重力環境中，血液和組織液不再受重力牽引，會迅速向上半身和頭部轉移，導致航天員出現“太空紅臉”“大餅臉”的現象，同時伴隨鼻塞、頭暈等不適。更嚴重的是，長期的體液上移會讓身體誤以為“血容量過剩”，從而啟動利尿機制，導致血容量減少，這會增加航天員返回地球后因重力突然恢復而出現低血壓、暈厥的風險。

肌肉骨骼系統的退化則更為嚴峻。在地球上，肌肉是對抗重力的“動力源泉”，骨骼是支撐身體的“承重支架”，長期的重力刺激讓它們保持著強健的狀態。但進入微重力環境后，人體不再需要對抗重力，肌肉（尤其是腿部、背部等承重肌群）會因缺乏使用而快速萎縮，力量和耐力顯著下降；骨骼則因失去負重刺激，骨形成減少、骨吸收增加，骨質流失速度每月可達1%-2%，相當于地球上嚴重骨質疏松癥患者一年的流失量，這對航天員的長期健康和返回后的再適應構成巨大威脅。

前庭系統的紊亂同樣不可忽視。內耳中的耳石是人體感知重力和空間位置的關鍵器官，在地球上，耳石會因重力作用穩定在特定位置，向大腦傳遞清晰的空間定位信號。但在微重力環境中，耳石漂浮不定，無法提供穩定的重力參考，大腦接收到的空間信號變得混亂不堪，這會導致航天員出現類似暈車、暈船的“太空運動病”，表現為頭暈、惡心、嘔吐、平衡失調等癥狀，嚴重影響航天任務的執行。

針對微重力環境帶來的多重挑戰，人體工程學構建了一套“主動對抗、多管齊下”的逆重力工程體系，核心思路是通過人工干預，模擬重力對人體的刺激，維系生理系統的正常功能。

對抗性鍛煉是最核心的工程措施。空間站內專門配備了一系列特制的健身設備，為航天員提供“人工重力負荷”。跑步機通過彈性束縛帶將航天員牢牢固定在跑帶上，模擬跑步時的重力支撐，讓腿部肌肉和骨骼得到充分鍛煉；自行車功量計則針對上肢和核心肌群，通過調節阻力提供對抗性訓練；抗阻訓練裝置則采用真空負壓原理，為肌肉提供可調節的阻力，幫助航天員維持肌肉力量。根據航天醫學標準，航天員每天必須進行至少2小時的高強度鍛煉，這看似嚴苛的要求，實則是人體工程學為對抗微重力影響設計的“健康防護網”，通過主動鍛煉讓肌肉和骨骼“保持記憶”，最大限度延緩萎縮和流失。

服裝工程的創新同樣發揮著重要作用。特制的“負壓褲”（也稱為抗荷服的一種變體）通過在腿部施加可控的負壓，形成一個“人工重力梯度”，幫助將上移的體液重新拉回下肢，有效緩解頭部充血、面部浮腫等不適，同時也能促進下肢血液循環，減少肌肉萎縮的風險。這種服裝就像一件“貼身的工程裝備”，用物理方式為人體提供持續的生理支持。

藥物干預與地面適應性訓練則作為重要補充。針對太空運動病，科學家研發了專門的預防和治療藥物，幫助航天員緩解不適；而在地面，航天員需要進行大量的前庭功能訓練，如轉椅訓練、離心機訓練、拋物線飛行訓練等，通過逐步適應復雜的空間運動刺激，提升前庭系統的耐受性，讓身體在進入微重力環境前就做好“準備”。這套多維度的應對方案，充分體現了人體工程學“主動適應、精準干預”的核心思想，讓航天員在失重環境中依然能保持良好的生理狀態。

心理與感知維度：密閉空間中的“心靈守護”

載人航天的挑戰，不僅來自生理層面，更來自心理與感知的考驗。人類是社會化的生物，對開闊的空間、豐富的環境刺激、穩定的社會聯系有著天然的需求。而空間站的環境卻恰恰相反：狹小密閉的空間、單調重復的視覺景觀、與地球的物理隔離、長期的團隊共處，這些都可能給航天員帶來心理壓力、感官疲勞和思鄉情緒，甚至影響認知功能和團隊協作，成為制約航天任務成敗的“隱形變量”。

在微重力環境中，“上下”的傳統空間概念徹底消失，物品可以漂浮在任何位置，航天員自身也能隨意漂浮、翻轉。這種空間感知的喪失，會讓部分人產生迷茫、不安的情緒，甚至影響動作協調性。而舷窗外的景觀，既是震撼人心的美景，也可能帶來心理沖擊——俯瞰地球時的壯麗與渺小感交織，遙望宇宙時的深邃與孤寂感并存，這種極致的視覺體驗有時會引發航天員的存在主義焦慮，讓人對自身的位置和意義產生深層思考，若不能及時疏導，可能影響心理狀態的穩定。

此外，空間站內的環境刺激相對單調，長期面對相同的艙內布局、相同的設備儀器、相同的團隊成員，容易導致感官疲勞和情緒低落；而與家人、朋友的物理隔離，更是對心理韌性的巨大考驗，思鄉之情、對地面生活的渴望，都可能成為影響航天員心理健康的因素。

面對這些心理與感知的挑戰，人體工程學將“環境優化”與“心理疏導”相結合，構建了一套溫暖的“心靈守護”體系，讓空間站不僅是一個工作場所，更是一個能給予安全感和歸屬感的“太空家園”。

在艙內環境設計上，人體工程學注重通過細節營造熟悉感和可控感。設計師會利用不同的顏色、紋理和材質來劃分功能區域，例如工作區采用冷靜的藍色系提升專注度，休息區采用溫暖的米色或木色營造舒適感；同時，為每個航天員設置專屬的個人儲物空間和休息角落，讓他們能擁有一定的私人領域，增加對環境的掌控感。更重要的是，設計師會有意識地設定“天花板”和“地板”的視覺標識，例如在艙壁特定位置設置統一的圖案或顏色標記，幫助航天員建立虛擬的“上下”概念，緩解空間感知混亂帶來的不安。

舷窗的巧妙利用與保護，是心理疏導的重要手段。舷窗是航天員與外部世界連接的“窗口”，也是緩解心理壓力的“天然療愈工具”——當航天員感到疲憊或焦慮時，透過舷窗俯瞰地球的壯麗景色，感受家園的溫暖，能有效舒緩情緒、振奮精神。但同時，舷窗也需要配套的遮光設施，確保航天員睡眠時的黑暗環境，避免外界光線干擾睡眠質量，這體現了人體工程學“兼顧功能與心理”的設計理念。

維系與地面的信息連接，是對抗物理隔離的關鍵工程。現代空間站具備完善的通信系統，航天員可以定期與家人進行視頻通話，分享太空生活的點滴；通過電子郵件、即時通訊工具，他們能與朋友保持聯系；同時，空間站還能接收地面的新聞、體育賽事、娛樂節目等內容，讓航天員及時了解地球的動態，感受到自己并未脫離社會。這種信息流的持續輸入，就像一條無形的“心靈紐帶”，將航天員與地球緊密相連，緩解思鄉之情，維系心理上的“接地氣”，讓他們在遙遠的太空依然能感受到家的溫暖。

更值得關注的是，人體工程學還注重航天員的心理支持與情緒疏導。空間站會配備專業的心理疏導設備和資源，航天員可以通過語音、文字等方式與地面的心理專家溝通；同時，團隊成員之間的相互支持、任務安排中的適當娛樂時間，也能有效緩解心理壓力。此外，設計師還會在細節中融入人文關懷，允許航天員攜帶少量個人物品（如家人照片、紀念品），這些充滿個人情感的物品，能在狹小的空間中營造出獨特的情感氛圍，給予航天員心靈上的慰藉。

從時間節律的人工校準，到生理系統的逆重力守護，再到心理感知的溫暖疏導，人體工程學以“讓環境適應人”的核心思想，為載人航天的核心挑戰提供了系統性的解決方案。它不僅是一門嚴謹的工程學科，更蘊含著深厚的人文關懷——在探索宇宙的宏大敘事中，始終將“人”的生存與發展放在首位。正是這種對人體需求的精準洞察、對異質環境的科學應對，讓人類在遙遠的太空逐步站穩腳跟，向著更深遠的宇宙探索不斷邁進。而人體工程學提出的這一精彩命題，也將繼續指引著我們在“人與宇宙”的關系中，尋找更和諧、更可持續的發展路徑。

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