近日，神舟十六号航天员乘组使用我国自主研制的仿生黏附鞋开展在轨验证实验任务并取得圆满成功。此次研制任务由南京航空航天大学机电学院戴振东、姬科举带领团队完成，南京艾德恒信科技有限公司作为主要参研单位，以特色仿生技术助力国家载人航天事业发展。
图1 航天员在天和核心舱中使用仿生黏附鞋
01 探索宇宙，以人为本
空间生命科学是伴随人类航天事业产生和发展起来的重要学科，对提升空间生命现象认知、完善人类知识体系、推进人类长期太空生存活动能力，具有重要的科学意义和应用价值。
长期航天飞行容易导致航天员机体失重性骨丢失、肌肉萎缩、心血管功能紊乱等生理问题。为维持宇航员在太空的健康水平，在空间站为宇航员配置了多种在轨锻炼方法，如飞轮锻炼、阻抗锻炼、跑台等设备，但这些设备体积大、重量重、且不能提供屈肌力刺激。
自然界具有攀爬能力的生物为上述问题的解决提供了思路。2017年，南京航空航天大学机电学院戴振东、姬科举，联合中国航天员科研训练中心科研团队，受壁虎黏附器官和爬岩鳅附着结构-功能启发，突破仿生黏附材料表面高适应性、耐候性、耐久性等多项核心技术，历时五年，前后经过多轮方案论证，样件更迭七代，成功研制了具有“低预压、高摩擦、可控黏-脱附”特征的仿生黏附鞋，为空间站航天员在轨失重防护提供了一种颠覆性仿生新技术。
图2 具有变模量、多层级结构特征的仿生黏附鞋设计
02 凝心聚力，协同攻关
众人拾柴火焰高，仿生科学的创新离不开多学科交叉协作。
2017年起，在中国载人航天工程办公室的大力支持下，南京航空航天大学戴振东、姬科举团队，中国航天员科研训练中心李莹辉、李志利团队，江苏省体育科学研究所袁鹏团队联合南京艾德恒信科技有限公司，一同组建了中国空间站干黏附力刺激项目团队。多团队合作、联合攻关，产学研协作，协同创新。
项目组历时五年，通过自主研发多项关键技术，努力攻克多项技术难题，不断优化仿生产品细节，终于成功研制出空间站仿生黏附鞋。项目组探索并设计了仿生锻炼处方，考察了附着力对微重力锻炼过程中的生物力学指标影响，从而建立起航天员下肢骨肌系统力刺激的仿生新模式。
图3 仿生黏附锻炼地基模拟微重力试验验证
03 壁虎漫步，终上太空
2022年11月12日，仿生黏附鞋搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界上第一双进入太空的仿生黏附鞋。2023年1月17日~25日，神舟十五号航天员乘组首次完成了穿戴仿生黏附鞋的在轨锻炼运动处方；2023年8月15日神舟十六号航天员乘组完成了仿生黏附鞋优化锻炼处方。
仿生黏附鞋通过足底附着力实现踏步中的下肢骨骼肌的锻炼。仿壁虎脚趾末端的低模量黏附层提高了对表面粗糙度的适应性，仿爬岩鳅的附着结构进一步提高了附着力和稳定性。肌电分析表明仿生黏附鞋提供的可控附着力，能够实现对下肢骨肌，特别是屈肌的有效锻炼，缓解了下肢骨肌在长期失重环境中易产生的肌肉萎缩和骨矿物质流失等问题，在轨验证实验取得成功。
仿生学为航天事业的创新发展提供了取之不尽的源泉，在航天特因环境下研究地球生命和生命体各层次的应激、适应和变化，是深入探究生命现象本质的重要途径。利用仿生学研究方法，发掘隐含在生物生存智慧背后的基本科学规律，发展基于仿生新技术、新理念、新方法的航天员健康防护策略，打通从科研研究到技术突破，再到产品应用的全环节，形成系列仿生特色装备，助力我国航天事业持续腾飞。
空间站干黏附力刺激项目不仅得到了载人航天工程办公室、航天员科研训练中心、多位专家学者持续给予项目组的专业指导，而且得到了南京市溧水区政府和南京溧水区高新技术投资有限公司的大力支持。本实验也得到航天员乘组和支撑实验的载人航天系统人员的大力支持！
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