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本文来自微信公众号“悦智网”（gh_ad4cb8f6a543）作者：宋爱国、徐宝国

在空间微重力环境下，人的生物力学特性和操作力与在地面重力环境下有着显著差异，而且长期在轨生活和作业还会使人体机能发生不同程度的变化。测量并分析航天员在微重力环境下的操作力，可为其操作任务的顺利开展、作业效率的提高提供重要参考和保障。在航天员操作力测量技术及装置研究方面，东南大学机器人传感与控制技术研究所同中国航天员科研训练中心开展长期合作，并取得一系列突破和进展。

作为我国空间科学实验的重大战略工程之一，中国载人航天工程（CMS）于1992年9月21日正式实施，并制定“三步走”发展战略，其可简要概括为载人飞船阶段、空间实验室阶段、空间站阶段。2021年6月17日，神舟十二号航天员乘组聂海胜、刘伯明、汤洪波进入天和核心舱，标志着中国人首次进入自己的空间站。9月17日，神舟十二号乘组安全返回地面，标志着空间站阶段首次载人飞行任务取得圆满成功。10月16日，神舟十三号载人飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接，航天员翟志刚、王亚平、叶光富进驻天和核心舱，并将按计划在轨驻留6个月，标志着中国空间站开启有人长期驻留时代。2022年我国将全面进入空间站在轨建造阶段。

在空间微重力环境下，航天员在进行打开舱门、推拉手柄、拧紧螺丝等操作时所需的施力方式和施力大小等较之于地面都存在巨大差别，所以在空间站中供航天员施力的组件必须依据航天员在轨生活和作业的实际施力特性来进行相应设计。此外，长期处于失重环境可能会引发人体出现骨骼钙流失、肌肉功能退化等机能衰退情况，这势必会对航天员长期在轨生活和作业造成一定影响。

因此，对长期在空间微重力环境下生活和作业的航天员（见图1）开展生理和健康状况的监测是一项基本而必要的任务，其核心科学问题是探究在不同时程的空间飞行过程中，微重力环境对生命体结构和功能的影响，以及由此引发的长期效应。一方面，对航天员在生活和作业时的各项操作力进行测量，可为航天器施力组件的设计以及航天任务的规划提供参考。另一方面，通过航天员常态操作力测量系统对航天员身体机能的实时监测，可为建立失重环境下航天员身体机能衰退的数学模型提供宝贵的数据支撑，对于航天员训练计划的拟定以及身体机能的保持具有重大意义。当前，国际空间站就安装有一套用于测量航天员在轨操作力的测量系统，其为国际空间站宇航员长期在轨生活和作业提供了基础的生物力学测量数据参考。

东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制技术研究所团队（以下简称团队）长期从事多维力传感器关键技术研究，先后突破了多维力传感器小型化和高精度等多个技术难题，并研制出系列化的多维力传感器（见图2）。为满足多维力测量传感器小型化和高精度的空间应用需求，团队提出了一种双十字梁组合的弹性体结构设计，有效减少了维间耦合干扰造成的测量误差；提出了操作力测量的精密标定装置设计方法和标定方法，通过精密标定建立了多维力传感器的误差模型，对多维力传感器静动态的维间耦合误差及非线性误差进行补偿，进一步提高了操作力测量的精度。

2013年，团队针对模拟失重效应的水池环境实验，提出了一种水下多维力传感器设计方法以及水压干扰误差的建模补偿方法，并为中国航天员科研训练中心研制了适用于航天员操作力测量的水下多维力/力矩传感器与综合测试系统（见图3）。应用该综合测试系统完成了在模拟失重效应的水池环境下对航天员作业能力的测评以及在973计划项目中对航天员生物力学模型的实验验证。

2014年，团队针对模拟失重环境的飞机飞行实验，为中国航天员科研训练中心研制了适用于飞机失重飞行环境的小型化高精度多维力传感器与航天员操作力测量系统（见图4）。同年10月，该测量系统在法国模拟失重飞机上成功完成了相关的操作力实验研究。

2016年，团队研制了适用于天宫二号空间实验室的小型化高精度的多维力传感器和航天员在轨操作力测量设备（见图5）。同年9月15日，该测量设备随天宫二号成功发射升空并连续在轨工作30天，完成了微重力环境下航天员操作力及其生物力学的大量相关测量工作。

自2017年起，为深入研究航天员长期在轨操作力和生物力学的变化规律，团队研制了面向空间站的小型化长寿命高精度多维力传感器以及航天员在轨生物力学综合测试系统（见图6）。该综合测试系统具有便携、固定和常态3种测量模式，可实现对航天员指捏力、手握力、推拉力、双手插拔力、双手旋转力矩、单臂/双臂/手轮旋转力矩、手部多维力以及足部多维力等多种操作力的在轨测量。该综合测试系统在2020年9月被安装于空间站天和核心舱内，2021年4月29日，随天和核心舱成功发射升空，并将长期在轨运行，服务于后续多批次进驻中国空间站的航天员，同时为航天员生物力学研究的开展提供关键测量设备。

总而言之，作为我国载人航天及载人空间站工程的一项重要实验任务，对航天员的操作力和生物力学进行测量和分析，可为保障航天员长期在轨生活和作业提供重要数据参考，为深入探究人体在空间微重力环境下的生物力学变化规律提供基础数据支撑。未来，团队将继续同中国航天员科研训练中心开展进一步合作，研发可穿戴的柔性化生物力学测量技术及装置。

致谢：感谢中国航天员科研训练中心、中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所的支持与所做的工作，感谢国家自然科学基金联合基金项目（项目编号：U1713210）的支持。

*本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2021年11月刊。

*专家简介：

宋爱国：东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制技术研究所，教授。

徐宝国：东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制技术研究所，副教授。