- 月での長期居住では、筋萎縮、骨密度低下、心肺・神経制御の低下が問題となり、静的な円筒壁の内側を水平に走って自ら人工重力を生み出す運動方式が代替案として検討されている
- 実験では、直径約10m級の Wall of Death 構造と、36mクレーンにつるしたバンジーバンドで体重の83%を免荷して月重力を模擬し、2人の参加者が円形壁走行を行った
- 参加者は5〜8回の試行後、補助なしでスタートできるようになり、解析対象となった14回の走行では少なくとも1周以上を走り、壁面速度は 5.38〜6.45m/s、平均5.93±0.45m/sだった
- この速度は落下リスクに対する安全係数1.48〜1.78に相当し、足の接地時に推定される最大地面反力は地球上の体重基準で1.67〜2.42倍となり、骨カルシウムの再吸収を防ぐのに十分な水準と計算された
- 1日 8〜9周、合計40〜45秒程度の短い走行だけで、骨格・筋肉・心肺・神経系への刺激を同時に与えられる可能性があるが、サンプル数は少なく、専用のベッドレスト研究が必要である
月の低重力における運動問題と円形壁ランニング
- 月面居住や長期滞在では、低重力への曝露が心肺持久力、筋骨格系、姿勢・運動の神経制御に悪影響を及ぼす可能性がある
- 月重力下での歩行は、身体重心の運動エネルギーと位置エネルギーのバランスが崩れ、速度範囲が低く制限され、トレーニング効果も低下する
- ランニング、スキッピング、ホッピングのような跳躍を伴う歩行は歩行より速いが、低重力では筋腱複合体の機械的不整合や垂直離陸速度の低下が生じる可能性がある
- 既存の代替案にはそれぞれ限界がある
- 低強度の持続運動や高強度インターバル運動は心肺持久力の維持に使えるが、筋肉・骨量への影響は小さい
- そり型のプライオメトリック運動は心肺・筋骨格機能の維持に可能性を示したが、地球型の歩行とは異なり、バランスや運動制御への刺激が不足する可能性がある
- 遠心分離機ベースの重力模擬は筋機能に良い影響があるが、月で歩行可能な遠心分離機には技術的難点と大きな電力要求がある
- 提案された方式は、月面居住者が垂直な円形壁の内側で月面と平行に走り、遠心加速度によってより高い人工重力を得る構造である
Wall of Death ベースの実験設計
- 実験には遊園地型の Wall of Death が使われた
- 半径4.73m、周長29.7m
- 木製の壁構造
- 床には幅0.8m、傾斜30°の加速用ランプがある
- 地球上では、人間が両脚の筋力で走ってこの構造を安定して走行するのは難しいが、月重力下では必要な最小速度が低くなるため、理論上は可能になる
- 月重力を模擬するために屋根を取り外し、高さ36mのクレーンに2本のバンジージャンプ用ゴムバンドを直列に接続した
- 参加者の体重は地球上の体重の1/6になるよう83%免荷し、横向きに寝た姿勢でデジタル秤により確認した
- 参加者は2人である
- 36歳男性、1.78m、60kg
- 33歳女性、1.70m、62kg
- ハーネスと接続ラインのため、水平姿勢では上側の腕の動きが制限され、その腕は振らずに懸垂ラインを握った
必要速度と物理条件
- Wall of Death では、壁面に沿って円運動するときに生じる遠心力と壁面摩擦が、下へ滑り落ちるのを防ぐ
- 地球上で半径4.7m、静止摩擦係数0.8という条件を用いると、点質量基準での最小速度は7.59m/s、つまり27.3km/hとなる
- 実際のランナーやオートバイは点質量ではなく、重心位置を考慮すると、地球上でランナーに必要な速度は約30.4km/hと計算され、人間のランニングでは難しいと見なされる
- 月では重力が地球の1/6であるため、同じ構造での理論上の最小速度は12.5km/h、すなわち3.5m/s以上まで低下する
- 地上実験の月重力模擬装置では、バンジーバンドが体を上方へ引き上げると同時に小さな中心方向の力を生むため、実際の実験で必要な速度は13.1km/h、すなわち3.63m/sに補正された
- 水平走行中、体はわずかに上向きに傾く必要があり、この姿勢は体全体の質量分布によって生じるトルクと、遠心力による反対向きのトルクを釣り合わせるためのものである
実際の走行結果
- 参加者は1日の実験セッションの序盤に、5〜8回の試行だけで慣れない水平ランニングにすばやく適応した
- その後、2人の参加者はそれぞれ7回、合計14回の解析可能な走行を行った
- 各走行には、初期加速後から減速前までに少なくとも1周、すなわち29.7m以上が含まれた
- ランプを使って加速し、走行を終えるときは速度を落としながら壁上の水平姿勢から床上の直立姿勢へ安全に降りた
- 負傷はなかった
- 壁面走行速度は平均 5.93±0.45m/s で、範囲は5.38〜6.45m/sだった
- この速度は落下リスクを避けるための最小条件に対する安全係数 1.48〜1.78 に相当し、地球上の Wall of Death におけるオートバイ走行の安全係数範囲と同程度である
- 平均歩幅と歩行指標は次のとおり
- 歩幅: 3.78±0.29m
- 歩行周波数: 1.58±0.17Hz
- 接触時間: 0.176±0.017秒
- デューティファクター: 0.27±0.01
- 全194ステップを合わせると、速度範囲は 4.60〜7.50m/s まで広がる
- 一般的な地球上のランニングと同様に、速い速度は主により高い歩行周波数によって達成され、歩幅は比較的一定で、接触時間とデューティファクターは速度が速くなるほど短くなった
ランニング力学と地面反力
- 観察された速度で予測される傾斜角は平均 12.4°±1.9°、範囲は10.4°〜14.9°だった
- 壁面水平ランニングの平均垂直地面反力は地球上の体重基準で1.13±0.16倍、最大推定値は2.04±0.29倍だった
- 平均範囲: 0.93〜1.34倍
- 最大範囲: 1.67〜2.42倍
- 別途行われた LOOP 実験室セッションで、同じ参加者はトレッドミルと体重懸垂装置を使い、1g、0.8g、0.5g、0.17g条件で走った
- 最大速度は0.17gで5.28m/s、0.5gで5.75m/s、0.8gで6.25m/s、1gで6.94m/sだった
- 最大速度での平均・最大垂直地面反力は、0.17gで0.85・1.54倍、0.5gで1.44・2.60倍、0.8gで1.94・3.51倍、1gで2.09・3.79倍だった
- 垂直方向に月重力を模擬したトレッドミルランニングは、Wall of Death の水平ランニングとは運動学が明確に異なっていた
- 月重力での垂直ランニングは歩幅がはるかに長く、デューティファクターが大きく低下する
- 0.5gと0.8g条件は、1gランニングおよび Wall of Death のステップデータにより近かった
- Strouhal 無次元指標は、Wall of Death の水平ランニングが一般的な地球上のランニングと動的に類似していることを示した
- 月の Wall of Death 水平ランニングの Strouhal 値は約0.80〜1.10
- LOOPで同じ範囲が現れるのは0.50g以上のみ
- 0.17gでの高速垂直ランニングは約0.55〜0.65で、異常な力学を示す
筋肉・骨・神経系への刺激
- Wall of Death ランニングは、滑りを防ぐ最小速度を大きく上回る5〜7m/sの範囲で行われ、2.5〜4Hzという高いステップ頻度を伴った
- このような高速走行では、月面で直立して走る場合よりも、筋腱単位がこなす必要のある総機械的仕事が大きくなる可能性がある
- 骨への刺激は、既存のベッドレスト研究におけるジャンプトレーニング結果と比較して計算された
- 60日間のベッドレスト研究で、平均1日0.8回に相当する48回のジャンプトレーニングセッションは、骨密度やカルシウム含有量の損失を含む複数の低下を防いだ
- このセッションは平均78回のジャンプ、平均最大地面反力3.6kN、全体重の4.8倍、または片脚あたり2.4倍に相当する
- Wall of Death で6m/sで走るとき、ステップ当たりの最大地面反力を2.2倍と仮定すると、同じ累積地面反力を得るために必要なステップ数は170歩と計算される
- 周長30m、ステップ周波数3.2Hzという条件では、1周は5秒、16ステップで構成される
- 1.25日ごとに10〜11周
- または毎日8〜9周
- 総運動時間は40〜45秒
- この方式は、高衝撃の動的荷重、1日40〜60回程度の接触段階、長いセッションを避けるという条件とともに検討された
- 神経系の面では、歩行パターンが地球上の一般的なランニングに似ており、複数の関節が関与するため、推進と姿勢維持の両方が求められる
- そり型プライオメトリック運動やサイクルエルゴメーターは、体幹の制約や動的バランス課題の不足により、Wall of Death 型の歩行とは異なる刺激を与える
心肺代謝強度と月面居住地への適用
- 酸素摂取量は直接測定していないが、地球上のランニングの代謝コストと低重力ランニングの回帰式に基づき、Wall of Death ランニングの最小代謝要求量を推定した
- 5.5〜6.5m/sの範囲と、該当する人工重力0.5g〜0.73gを適用すると、酸素摂取量は 54〜74mlO₂/kg/min と推定される
- Artemis Program の乗員は、地球上で約40mlO₂/kg/min水準の最大酸素摂取量に到達するよう訓練されると予想される
- したがって、Wall of Death 走行の推定強度は、高強度インターバル運動で心肺適応を引き起こす水準と両立し得る
- ただし、これらの値は直接測定値ではなく、実際の Wall of Death で追加実験により評価する必要がある
- 月では地上実験の模擬バイアスがなくなる可能性がある
- バンジーバンドが作る中心方向成分により、より高い接線速度が必要だった点
- 四肢がスイング中に残留する地球重力を経験した点
- ハーネス、ライン、懸垂装備の約9kgの追加質量を加速する必要があった点
- 専用の事前訓練で水平移動に慣れれば、月のより小さな Wall of Death でも、より遅い速度で動くことに寄与する可能性がある
- 月に専用運動器具を運搬または建設する制約を考慮すると、この方式は居住用の円形構造物の壁を利用し、追加の電力供給を必要としない受動的な施設として実装できる
- 結論には制約がある
- サンプル数が2人と少ない
- 特殊な現場実験であるため、運動学測定が精密ではない
- 今後、専用のベッドレスト研究が必要である
- 月で垂直ランニングが低重力のため制約を受ける場合、円形壁での水平ランニングは、地球上では不可能な歩行を月では安定して行えるようにし、短い日次走行によって心肺・運動能力と骨ミネラル状態の維持に十分な人工重力を生み出せる
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
補足データの動画までたどり着くには何度かクリックする必要がある: https://rs.figshare.com/articles/media/a_participant_running...
おそらく頻繁に方向転換するのがよさそう
これが重力の向きのせいなのか、体の角度が完全に水平には見えないため足が床に当たる角度がおかしくなっているのか、それとも個人の生理的特性によるものなのか気になる
回転する表面についての言及を見なかった
角度調整できる壁と可変回転速度を備えたテーパー状の円筒形重力ジムなら、はるかに大きな「重力」を滑らかに作り出せる
回転重力は、自重トレーニング、体幹トレーニング、室内自転車のような固定式または小面積の有酸素運動、VRゲーム、ヨガ、さらには睡眠まで可能にしてくれる
追記: 「しかし内部を歩行できる月面ベースの遠心機は技術的難題を生むだろう」という部分を見落としていた
それでも結局は避けられないと思う。身体的にも心理的にもはるかに有用だ。「回転する表面」は、「低重力による健康悪化」や「円周を走って退屈で死にそうになること」に比べれば単純な課題だ
こうした装置が地球外での出産問題も解決するかもしれない。宇宙ウサギを少し「スピンアップ」して結果を見てみよう！ トリブルでないことを願う
低重力の植民地では回転区画が間違いなく一般化しそうだ。スタートアップをやる人はいる？
長く滞在すれば筋肉と骨が強化されるはずなので、フィットネス層やプロアスリートが関心を持つ可能性が高い
火星や月でこうしたものを作って運用する前のよい予行演習にもなる。地球で動かせるなら、低重力では加速度がより小さくて済むので、もっと簡単なはずだ
少し傾いた円形軌道上の列車やジェットコースターでも可能そうだ。わずかな傾きは重力ベクトルを床に垂直な方向へ移すだけだ
普及しなかったのには、おそらく理由があるのだろう
もちろんエアロックを開ける必要があるたびに、単に回転を止めてもよい
あるいは軌道上に置けば、こうした問題はもっと簡単になり、昼夜の放射線遮蔽や暖房の問題もあまり気にしなくてよくなる
「内部を歩行できる月面ベースの遠心機は技術的難題を生み、かなりの電力を必要とするだろう」という欠点はかなり笑える
技術的難題こそ、月にいることを示すサインではないか
安定した回転システムは、考え得る月面課題の中でも最も単純な部類に入るはずだ。既存の環境シェル内に実装するなら、かなりローテクでも可能だろう
低重力で回転を維持するには、消費電力は非常に低いはずだ。損失は回転点の摩擦と、人間の動きに合わせてバランスを保つための位置制御用のおもり程度のはずで、どちらも小さいだろう
ただし、提案されている無技術的な解決策は投資対効果が高く、初期段階や人がまれに滞在する前哨基地には現実的だ
ついに、妙に関連する経験を持つ人間になった。2012年に直径約6mの大型回転円形プラットフォーム、つまり世界最大のハムスターホイールを作った[1]
短く走ってみるには面白くて独特だったが、ほとんどの人は数分ジョギングするとめまいを起こした。湾曲したプラットフォームには転倒の危険もあった
実際には一種のブランコのように使われることの方が多かったが、これが月でも可能かどうかは分からない
月での体験がはるかによくなるかは懐疑的だ。特に提案されている直径はこれよりさらに小さい
月でウォーターローイングマシンのようなものが使えない理由はあるのだろうか？ 重量ベストや重いシートを足すこともできる
ローイングはほぼ全身運動で、重力への依存度もそれほど大きく見えない
理論的には、スクワットやデッドリフトのような主要な複合運動は体のほぼすべての筋肉を刺激するので、大きな助けになり得る。大きなリフトを週2〜3回やるだけでも、かなり継続的な筋成長を得られる
もちろん宇宙では重さがないので、文字どおりバーベルを持ち上げることはできない。だが、バンドや空圧装置などで抵抗を作ることはできる
ローイングはレジスタンストレーニングと有酸素運動を同時に得られるので非常によい
月には重力があるにはあるが、単に弱いだけだ。巨大な岩をスクワットやデッドリフトすることは誰も考えないのだろうか？ 大きなかごに月の石を詰めていけば、いずれ重くなるはずなのに
「エルゴメーターでの低強度持続運動や高強度インターバルトレーニングは心肺体力の維持に役立つ可能性があるが、筋肉量と骨量への影響は小さい」
Arthur C. Clarke の Imperial Earth には、低重力の宇宙船内にある円形の自転車トラックが登場する
主人公は地球の重力に備えて訓練するため、そのトラックを非常に速く周回し、1G を感じるまで走った
50年以上前の 2001 Space Odyssey の円形の壁面ランニングを思い出した: https://youtu.be/1wJQ5UrAsIY
それぞれの方向が「上り坂」と「下り坂」のように感じられるのか気になる。訓練目的ならおそらく上り坂がよさそう
映画だけで回転区画がどちら向きに回っているかを計算する十分な情報があるのかは分からない
円をぐるぐる回るのは、退屈に打ち勝つ素晴らしい方法のように聞こえる
名前もぴったりな Wheel-of-Death 装置の横には、ペンキが乾くのを眺めるための専用部屋もあり、宣伝資料によるとそれはバードウォッチングに似ているらしい
全身歩行がなぜ筋萎縮や骨の脱灰を防ぐ最善の方法なのか理解できない。地球上でもそれが最善ではないから
より良いアプローチは、バンドや月の石を使って ウェイトトレーニング をすることだと思う
デッドリフトやスクワットのような種目で、新たな月面記録を作ればいい
より正確に言えば、地球で試されたバンドやウェイトリフティングのような方法はいずれも、強い重力場の中での全身歩行をかなりの量含んでいた
週3回、1時間ずつジムでスクワットとデッドリフトをすれば素晴らしい結果が得られる。しかしその生活様式には、1G の重力に24時間さらされることも含まれる
月で スケートボード に乗ったら最高そう
https://what-if.xkcd.com/124/