一种辅助航天员锻炼与固定的足部可穿戴仿生附

本发明属于航空航天仿生，具体涉及一种辅助航天员锻炼与固定的足部可穿戴仿生附着装置。背景技术：1、随着我国载人航天事业的发展，航天员长达数月的外太空活动与作业逐渐成为常态化发展趋势，但人体处于微重力环境中，行走和位置固定需要借助特殊的合作式或者预先布置的束缚带、旋转脚环等脚步限动装置；同时，长期的失重环境影响会引发机体产生失重生理效应，特别是骨肌系统的损伤，直接影响航天员的身心健康，如何预防失重带来的负面影响也已经成为航天医学健康领域关注的重点方向(李莹辉.大数据时代的航天医学发展构想.中华航空航天医学杂志[j],2015,26(4):241-244.)，研究发现即使航天员平均每天在轨锻炼时间长达2.0-2.5h，6个月飞行后小腿肌肉体积仍降低了13％，峰值功率降低32％，返回地球或进入其他重力环境时，需要面对运动储备能力不足、立位耐力不良以及运动失衡甚至跌倒受伤的风险。体育锻炼具有调节血液循环、增强心肺储备、强化骨骼肌肉系统功能、增强免疫功能等多生理影响，是太空进行对抗肌肉萎缩最重要的保障。2、目前国际空间站所用体育设备主要由拉力器、抗阻力锻炼装置、跑台和自行车功量计等组成，锻炼类型通常由有氧锻炼(耐力锻炼)和无氧锻炼(力量锻炼)组成。尽管如此，针对目前空间站任务动辄数月的长期飞行，在轨出舱活动、医学实验等任务更为繁重，失重骨丢失、肌肉萎缩等生理问题逐渐凸显，实际总体航天医学防护技术仍有待提升与完善。因此，研制创新的航天医学锻炼装备，探索有效的创新锻炼方法，依然成为新时期航天事业蓬勃发展的基础保障。3、针对失重环境下的锻炼与固定需求的研究已公开了不少专利技术，现有专利cn201520723630.1公开了一种防漂浮步行机，作用机制是通过鞋底后跟部和脚心前沿的磁性铁粉或铁片与分布有适量导磁铁粉的步行机传送带相互吸引，以防止人体任意漂浮，并起到锻炼作用，这种方式虽然可以使使用者在步行机上行走或跑步，但是采用磁性吸附的原理，需要行走鞋鞋底和步行机传送带之间都需含有磁性物质才能形成鞋底和传送带之间的吸附，因此航天员在穿戴行走鞋时一旦离开了步行机传送带，这种磁性吸附力也会随之消失；同时，磁性物质对于舱内电子元器件往往会产生电磁兼容方面的问题，磁吸附作用空间具有局限性。专利cn201710788199.2公开了一种保健型航空航天服饰及器材，其中包含了行走固定鞋，该行走固定鞋同样依靠磁性吸附力，鞋子底部设有磁铁，天空舱内地板上安装有铁片可行走，专利提及的磁性作为一种“合作式”的界面力学作用方式，比如磁吸附需要有磁铁或者铁钴镍等导磁的物质作为磁力作用载体，这种依靠磁吸附的作用机制缺乏对表面材质的广泛适应性；同时，如上所述磁性物质和磁力作用在航天领域的应用中较为敏感，因为磁载荷往往会对周边的电子元器件造成一定的影响，所以并不适合在航天领域应用。专利cn201210239864.x公开了一种在航天飞行中使用的下体负压跑步机，由底座、跑台、支架、扶手、仪表台、下体负压舱和真空泵组成，跑台置于下体负压舱内，下体负压舱用来提供负压环境，仪表台用来设置跑步机、控制舱内压力及显示数据，实现了在跑步锻炼的同时进行下体负压锻炼。这种设计虽然可以利用下体负压的吸力将航天员固定在跑步机上，达到模拟重力的效果，但是负压的产生需要真空泵的支持，真空吸附过程中难免会吸附到悬浮的其他杂物，并且具有设备复杂、成本高、占地面积大等问题。专利cn201220286381.0公开了一种太空舱抗失重行走的靴子和地毯，航天靴底部的脚跟位置有脚跟带小钩子织物，脚掌带小钩子的织物和脚跟带小钩子的织物的小钩子向下，航天飞行器的地面铺设地毯，地毯的表面有小毛绒圈，使用时航天员穿上航天靴，即可在飞行器的地面克服失重行走。这种原理是利用了“勾面”和“毛面”的机械锁和固定，但是在穿戴行走鞋的情况下，踏步界面一旦离开铺设的地毯，就不能形成机械锁和固定，因而立即失去作用，具体而言尼龙搭扣采用“勾面”和“毛面”的机械锁合形成界面力学作用，这种作用方式依赖于彼此之前的配合才能产生有效的力学作用，这限制了鞋类产品的适应性应用。4、除了失重环境下的锻炼问题，现有航天员的辅助固定方式作为运动和作业的基础，也是航天辅助装置的研究重点。目前，国际空间站在位置保持中主要采用勒系式的固定方式，现用的辅助装置主要为扶手、脚限制器、绑带等。专利cn202020993519.5公开了一种航天工作人员用可隐藏式锻炼设备，该设备通过绑带将航空员固定在座椅上，防止航空员因失重乱飘，航空员通过手握两组拉环,拉环底部固定安装有第一弹簧，拉环可供航空员进行手部肌肉锻炼。由于上述辅助装置在舱内的位置固定，可调性比较低，因此航天员在进行舱内作业时可能处于不舒适的身体姿势；同时脚部和固定装置间缺乏稳定的接触力，脚趾，脚，小腿，腹部和腰背等身体部位在位置保持中需要持续用力、关节活动度增加，导致航天员在姿态控制过程中能量消耗大，容易造成肌肉疲劳，长期重复、持续用力甚至会引起背部疼痛、肌腱炎、腱鞘炎、应力性骨折等肌肉骨骼问题。从工程设计及发射成本控制的角度来说，最佳的选择是用最少的固定辅助装置来满足最多的操作任务需求。专利cn201510458903.9公开了一种太空特种鞋，该发明包含鞋底前、中、后部多个吸盘，以及三个压力传感器、三个电磁阀、真空泵和处理器，吸盘将真空泵产生的真空力转变为吸附物体表面的吸力，解决了航天员在舱内不能平稳站立的问题。虽然这种鞋底吸盘可以在失重环境下产生与地面的吸力，但是需要借助真空泵的吸力，并且鞋子的设计对于不同航天员个体缺乏广泛适用性，不同足部尺码的航天员需要定制设计，增加了装备的数量与重量。在航天员舱内脚部限动新方法—吸盘鞋(王静.[j].中国航天,1995(10):3)中介绍了一种欧空局实验阶段的飞行用鞋，每只鞋底粘了24个天然橡胶吸盘，实验验证了特定足码下吸盘鞋在辅助航天员固定、行走的可行性，但凹面形态的吸盘由于自身形变需要外加载荷作用，在失重环境下限制了低预压下的吸附接触应用，且凹面形态的吸盘结构由于自身形变恢复力的存在，对于较为粗糙的表面，会逐渐漏气而失去吸附能力，但舱内表面如果太光滑，比如类似于镜面光洁度，往往会带来眩光问题，所以凹面形态吸盘并未实际应用在载人航天作业装备中。5、前期研究过程中的专利(戴振东、姬科举、胡卓扬、王周义、陈健、赵家辉、霍婷薇，申请号：202111640166.6)公开了一种基于仿生附着材料的微重力环境下肢骨肌锻炼装置，该锻炼装置的附着单元为具有末端膨大的仿生微结构阵列，基于范德华力和负压作用的协同，该装置在光滑表面具有良好的附着特性，展现出了仿生锻炼的可行性；但是在工程应用过程中发现：一方面，聚合物基材的微结构单元结构强度不够、抗冲击能力弱，在成千上万次黏脱附循环应用过程中微结构易损伤，不能长久发挥效果；另一方面，仿生微结构阵列由于尺度匹配效应，对于接触表面的粗糙度较为敏感，随着接触面粗糙度的增大，附着力会迅速衰减，应用的环境适应性受到一定限制；预压时足部压力作用面积小，在微重力环境中单元无法与基底完全解除；附着力过大，在需要脱附的时候无法灵活脱附；并且鞋子形式的设计缺乏对不同足码的兼容性，限制了该仿生锻炼装置的实际工程应用。技术实现思路1、本发明公开了一种辅助航天员锻炼与固定的足部可穿戴仿生附着装置，解决了失重环境下航天员位置的固定与移动需求，建立基于仿生附着力的下肢骨肌系统力刺激的新模式，缓解航天员在轨常驻引起的骨肌系统健康问题，为航天员提供失重环境下行走、锻炼和位置固定等舱内所需作业方式提供有力支撑。2、为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：3、一种辅助航天员锻炼与固定的足部可穿戴仿生附着装置，包括鞋套、鞋底附着单元；4、所述鞋套采用搭扣式、卡扣式、弹性带设计或者组合设计，鞋套式的设计不仅可以将仿生附着装置与使用者足部有效固定，且穿戴简便，对于使用者的足码大小有较强的包容性，同时鞋套的设计可以将界面接触应力分散到所包覆的鞋子帮面，有效避免了仿生附着装置对于足部的直接接触以及应力集中带来的不利影响；5、所述鞋底附着单元根据抬脚方式的差异以及对附着力大小的不同需求采用分形几何理论设计，设计为一片式附着单元或多片式附着单元，可以调控界面有效作用面积和界面分离拓展路径，匹配不同的附着方式应用场景；6、所述鞋底附着单元采用变模量平底设计；平底可以是光滑表面，也可以构筑有增摩防滑效果的微织构图案，微织构图案可以是以不同方式排列的微结构阵列、沟槽阵列，以起到增磨防滑效果，尤其适应粗糙度较大的表面；单元主体采用高模量材料，如氟橡胶；单元唇边底面采用低模量材料，如软硅橡胶7、所述鞋底附着单元具有适应层中底与边缘剥离结构(脱附开关)，起到增强附着单元的附着稳定性与脱附可控性的效果；所述适应层中底位于附着单元与鞋底之间，采用低模量、高弹性材料制备为扁平柱体结构，并使用缝纫等不会影响其压缩与回弹的固定方式连接至鞋底，所述脱附开关连接鞋底与附着单元唇边，使用柔性材料(如尼龙、纤维等)制备为绳状结构，或使用其他材料制备为柔性结构(如链条)；8、所述鞋底附着单元在鞋底的安装区域根据附着单元数量设置为孔或者卡槽形式。9、有益效果：本发明提供了一种辅助航天员锻炼与固定的足部可穿戴仿生附着装置，与现有技术相比具有以下优势：10、(1)鞋套式的设计不仅可以将仿生附着装置与使用者足部有效固定，且穿戴简便，对于使用者的足码大小有较强的包容性，同时鞋套的设计可以将界面接触应力分散到所包覆的鞋子帮面，有效避免了仿生附着装置对于足部的直接接触以及应力集中带来的不利影响；11、(2)根据抬脚方式的差异(前脚掌和后脚跟是否一起抬)以及对附着力大小的不同需求，附着单元采用分形几何理论设计，可以调控界面有效作用面积和界面分离拓展路径，匹配不同的附着方式应用场景；12、(3)鞋底附着单元采用变模量平底设计，所述平底可以是光滑表面，也可以构筑有微织构图案，以起到增磨防滑效果，尤其适应粗糙度较大的表面；过变模量设计，大大增强了仿生附着单元对粗糙基底的适应性；13、(4)鞋底附着单元具有类似平底吸盘的结构特征，能够在一定粗糙度范围内的固体表面形成负压吸附力和范德华力的协同作用，并且能够兼容潮湿的表面附着，实现长期可重复适用性；14、(5)鞋底附着单元的平底特征不同于普通的凹面吸盘结构，在接触力学上具有法向低预压、难脱附的力学特征；15、(6)鞋底附着单元加入了适应层中底，可以均匀足底压力，使附着单元与接触表面充分接触，起到提高附着稳定性的作用；16、(7)鞋底与附着单元边缘使用边缘剥离结构(脱附开关)采用缝纫或粘结等方式连接，可以在需要时沿设定方向以较小的力完成脱附；通过打破负压的方式控制脱附，增强附着装置的灵活性；17、(8)根据穿戴方式的不同，针对性地设计了不同类型的鞋套，可以与分形理论设计的不同附着单元相互组合使用，获得具有“低预压、难脱附”界面力学特性的系列化仿生附着装置；18、(9)负压吸附和范德华力协同的力学机制，保障了其长期重复使用性。多机制附着单元展现出“低预压、高附着力、强摩擦、脱附可控”的接触力学特征，为航天员在失重环境下的锻炼和日常作业位置固定提供了新途径。