近日，神舟十六號航天員乘組使用我國自主研制的仿生黏附鞋開展在軌驗證實驗任務并取得圓滿成功。此次研制任務由南京航空航天大學機電學院戴振東、姬科舉帶領團隊完成，南京艾德恒信科技有限公司作為主要參研單位，以特色仿生技術助力國家載人航天事業(yè)發(fā)展。

圖1 航天員在天和核心艙中使用仿生黏附鞋

01 探索宇宙，以人為本

空間生命科學是伴隨人類航天事業(yè)產(chǎn)生和發(fā)展起來的重要學科，對提升空間生命現(xiàn)象認知、完善人類知識體系、推進人類長期太空生存活動能力，具有重要的科學意義和應用價值。

長期航天飛行容易導致航天員機體失重性骨丟失、肌肉萎縮、心血管功能紊亂等生理問題。為維持宇航員在太空的健康水平，在空間站為宇航員配置了多種在軌鍛煉方法，如飛輪鍛煉、阻抗鍛煉、跑臺等設備，但這些設備體積大、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為上述問題的解決提供了思路。2017年，南京航空航天大學機電學院戴振東、姬科舉，聯(lián)合中國航天員科研訓練中心科研團隊，受壁虎黏附器官和爬巖鰍附著結構-功能啟發(fā)，突破仿生黏附材料表面高適應性、耐候性、耐久性等多項核心技術，歷時五年，前后經(jīng)過多輪方案論證，樣件更迭七代，成功研制了具有“低預壓、高摩擦、可控黏-脫附”特征的仿生黏附鞋，為空間站航天員在軌失重防護提供了一種顛覆性仿生新技術。

圖2 具有變模量、多層級結構特征的仿生黏附鞋設計

02 凝心聚力，協(xié)同攻關

眾人拾柴火焰高，仿生科學的創(chuàng)新離不開多學科交叉協(xié)作。

2017年起，在中國載人航天工程辦公室的大力支持下，南京航空航天大學戴振東、姬科舉團隊，中國航天員科研訓練中心李瑩輝、李志利團隊，江蘇省體育科學研究所袁鵬團隊聯(lián)合南京艾德恒信科技有限公司，一同組建了中國空間站干黏附力刺激項目團隊。多團隊合作、聯(lián)合攻關，產(chǎn)學研協(xié)作，協(xié)同創(chuàng)新。

項目組歷時五年，通過自主研發(fā)多項關鍵技術，努力攻克多項技術難題，不斷優(yōu)化仿生產(chǎn)品細節(jié)，終于成功研制出空間站仿生黏附鞋。項目組探索并設計了仿生鍛煉處方，考察了附著力對微重力鍛煉過程中的生物力學指標影響，從而建立起航天員下肢骨肌系統(tǒng)力刺激的仿生新模式。

圖3 仿生黏附鍛煉地基模擬微重力試驗驗證

03 壁虎漫步，終上太空

2022年11月12日，仿生黏附鞋搭乘天舟五號貨運飛船成功運抵中國空間站，成為世界上第一雙進入太空的仿生黏附鞋。2023年1月17日~25日，神舟十五號航天員乘組首次完成了穿戴仿生黏附鞋的在軌鍛煉運動處方；2023年8月15日神舟十六號航天員乘組完成了仿生黏附鞋優(yōu)化鍛煉處方。

仿生黏附鞋通過足底附著力實現(xiàn)踏步中的下肢骨骼肌的鍛煉。仿壁虎腳趾末端的低模量黏附層提高了對表面粗糙度的適應性，仿爬巖鰍的附著結構進一步提高了附著力和穩(wěn)定性。肌電分析表明仿生黏附鞋提供的可控附著力，能夠實現(xiàn)對下肢骨肌，特別是屈肌的有效鍛煉，緩解了下肢骨肌在長期失重環(huán)境中易產(chǎn)生的肌肉萎縮和骨礦物質流失等問題，在軌驗證實驗取得成功。

仿生學為航天事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了取之不盡的源泉，在航天特因環(huán)境下研究地球生命和生命體各層次的應激、適應和變化，是深入探究生命現(xiàn)象本質的重要途徑。利用仿生學研究方法，發(fā)掘隱含在生物生存智慧背后的基本科學規(guī)律，發(fā)展基于仿生新技術、新理念、新方法的航天員健康防護策略，打通從科研研究到技術突破，再到產(chǎn)品應用的全環(huán)節(jié)，形成系列仿生特色裝備，助力我國航天事業(yè)持續(xù)騰飛。

空間站干黏附力刺激項目不僅得到了載人航天工程辦公室、航天員科研訓練中心、多位專家學者持續(xù)給予項目組的專業(yè)指導，而且得到了南京市溧水區(qū)政府和南京溧水區(qū)高新技術投資有限公司的大力支持。本實驗也得到航天員乘組和支撐實驗的載人航天系統(tǒng)人員的大力支持！