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▲ 由Rosetta號航天器利用光學、光譜與紅外遠程成像系統(OSIRIS)拍攝的火星自然色照片

人類已經進化了數百萬年，充分適應了地球上的生活條件。但如今，人類正在計劃長時間的太空任務，這就迫使宇航員不得不在太空環境下居住更長時間。

NASA計劃在2025年將人類送上小行星，并在2030年代將人類送往火星。其中，NASA的“火星之旅”計劃是有史以來時間周期最長的載人航天任務，要求宇航員在太空環境中生活三年以上。雖然宇航員能夠在短時間內適應太空條件，但長時間太空旅行仍會給人體帶來種種壓力。根據以往的經驗來看，返回地球的宇航員往往會在視力、平衡能力、力量、協調性以及血壓等各個方面經歷一系列變化。

在地球上，人體肌肉會自然抵抗重力的影響。但在太空環境下，肌肉會逐漸萎縮，導致宇航員的肌含量快速下降。在微重力作用下，宇航員往往在6個月之內就損失高達50%的肌肉比例。另外，太空環境中，礦物質排出體外的速度也要比地球上快得多，導致人體骨骼密度每個月下降1%。這樣的狀況，基本相當于地球上老年人一年的骨質流失速率。也就是說，宇航員存在罹患骨質疏松癥的風險，可能導致骨折以及過度駝背。骨質疏松導致宇航員跌倒的風險提高40%，髖部骨折風險提高25%，死亡風險更將提高82%。

所以，參與長時間太空飛行的宇航員們，非常需要得到關于其肌肉量與骨骼量的直接反饋。

NASA目前正在與太空健康轉化研究所(TRISH)開展合作，共同開發創新方法以保證人體在太空中的健康狀態。TRISH是由貝勒醫學院負責領導的技術聯盟，參與者包括CalTech以及麻省理工學院。該聯盟正在利用一系列最先進的生物醫學研究方法，配合“模擬環境到太空環境”模型，希望幫助宇航員找到可持續的太空生存之道。

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▲ 位于檀香山夏威夷大學癌癥中心的AI精準醫學研究院

身體形態是一切原子變化過程的終產物，因此，身體形態的改變，可以說是體能下降最為直觀的警告性表現。針對于此，AI-PHI的研究人員正在研究身體形態信息如何反應強度、身體組成以及血液生物標記等健康標記的關聯性。3D光學模型能夠準確估算人體中的骨骼與肌肉成分，進而監測身體機能下降的具體風險水平。研究人員們利用AI技術分析數據，整理出大量重要信息。

ASTRO3DO研究的目標，在于開發出一套突破性方案，幫助宇航員完成NASA“火星之旅”等各類長期太空飛行計劃。該團隊目前正在使用AI設計定制的3D光學掃描儀，用以監控宇航員在太空環境中的身體成分變化。

項目目標是確定3D光學攝像機的最佳性能與太空應用可行性，借以收集人體視圖并準確分析體成分比例。Shepherd博士計劃利用他在美國國立衛生研究院(NIH)支持的“Shape Up!Study”項目中積累的經驗，進一步探索宇航員的身體變化之謎。該小組將在太空艙內安裝多個小型攝像機以收集數據。宇航員在太空中漂浮時，身體會自然旋轉，因此攝像機能夠輕松捕捉他們的完整體貌。利用3D掃描儀監控身體形態，能夠有效提供與健康狀態相關的有價值反饋。更重要的是，3D掃描儀本身安全廉價，且易于使用。

▲ 利用AI技術分析3D光學圖像，從而測量包括脂肪、肌肉以及骨骼在內的確切人體構成

ASTRO3DO研究小組還將開發出一系列改善太空環境下人類健康與機能的突破性方法，幫助宇航員在飛行過程中持續監測自己的骨骼與肌肉質量，從而切實延長探索任務的執行周期。事實上，經歷長途飛行并返回的宇航員，很有可能出現肌肉減少以及精神萎頓等癥狀，甚至在火星上發展為骨質疏松癥，最終導致椎骨或髖骨骨折并出現后凸畸形。

這項研究將利用3D光學掃描以及流體重新分配，監測宇航員的體能下降風險。目前的3DO模型已經能夠準確估算人體內的骨骼與肌肉比例，但還缺乏在太空環境下的適應性使用經驗。為了模擬太空條件，Shepherd團隊將推動進一步研究，嘗試利用硬件、算法以及微重力模擬物等增強模型性能，同時為飛行期間的微重力測試需求構建可行的仿真空間。這項研究的長期目標，是創造出一種在太空中可行的裝置與方法，量化宇航員的體能變化與骨折風險。項目的基本假設，在于利用反映人體成分的3DO模型匹配太空艙內的硬件設計，最終解決太空條件給人體帶來的健康挑戰。

▲ 來自AI-PHI、NASA以及NCSF的ASTRO3DO研究小組成員

此項研究的具體目標包括：

• 通過模擬人體表征的分辨率、成幀速率、采集精度以及對比度等細節，確定3D光學攝像機在采集人體視圖時的最佳性能與太空環境可行性。
• 探索并確定3DO在全身成分(肌肉、脂肪、脂肪百分比、BMD)、特殊區域(內臟脂肪、皮下脂肪、腰椎BMD)以及自動人體測量學(消除姿勢影響、受限視圖掃描與分析等)的準確性與精度，并將結果與標準方法(DXA與高分辨率3DO)進行比較。
• 明確3DO身體成分與自動人體測量學方案的精度水平與精度上限，利用其他替代性條件(姿勢、姿態、反重力、反向靴)、浮力(水下)以及微重力(蹦床頂點)掌握太空環境對測量造成的影響
• 構建并描述原型設計方案在微重力條件下的性能表現。

這項研究極具創新性，有望真正將長周期太空飛行條件下的宇航員健康保護納入科研范疇。此外，相關方法也將適用于存在類似身體變化狀況的癌癥患者。身體成分測量屬于癌癥研究當中一個相對較新的領域，能夠幫助我們了解肥胖與體態同癌癥發展及結果之間的關聯。ASTRO3DO研究的結果，也將適用于癌癥惡病質研究，從而幫助我們了解并預防與癌癥相關的肌肉流失問題，改善癌癥患者的生活質量。正因為如此，Stepherd博士計劃在夏威夷大學癌癥中心對惡病質患者進行隨訪研究。

除了為太空環境下的宇航員提供助力之外，世界各地的科學家也在嘗試利用AI等一系列先進技術探索健康狀況的監測之道。也許終有一天，我們能夠修復與生物衰老過程相關的體損失，甚至恢復老年人的免疫系統功能。這項研究將幫助人類安全前往火星，同時也以務實的態度幫助繼續生活在地球上的人類延長健康壽命。