综述：利用虚拟现实技术的低重力模拟器在人体生理学研究中的应用：一项系统综述

本文系统综述了虚拟现实（VR）技术在模拟低重力环境中的应用，通过PubMed等数据库检索并纳入23项研究，评估其对人体心血管、运动控制及感知的影响，指出VR结合机械卸载可提升实验生态效度，但需标准化方法及长期研究。

Rosirene Gessinger | Juliana Silva Herbert | João de Carvalho Castro | Gabriela Alves Rodrigues | Thais Russomano | Alcyr Alves de Oliveira

巴西阿雷格里港联邦健康科学大学（UFCSPA）

摘要

随着对月球和火星任务的关注日益增加，了解低重力如何影响人体生理机能变得尤为重要。基于虚拟现实（VR）的模拟技术已成为在地球上重现低重力环境的安全可控方法。本文系统地回顾了VR技术如何应用于低重力模拟器中，以研究人体在急性和慢性低重力条件下的生理反应。搜索范围涵盖了PubMed、Scopus、Web of Science、Cochrane Library和IEEE Xplore数据库，数据截至2025年7月，遵循PRISMA 2020指南。研究内容包括通过VR结合部分体重支持让参与者体验模拟低重力环境的情况。采用专门为此次综述开发的八项标准框架对方法学质量进行了评估，共有23项研究符合纳入标准。VR通过沉浸式、半沉浸式或非沉浸式界面实现，配合机械卸载系统模拟0.16–0.38 G的重力。模拟低重力影响了步态运动学、平衡能力和心血管反应，而VR辅助训练则提升了力量、姿势控制和运动学习能力。通过体重支持行走可以减轻速度和垂直感失真的感知效应。VR辅助的低重力模拟器为研究人类对月球和火星重力的多系统适应提供了有效且可重复的实验模型。然而，方法学上的异质性和纵向研究数据的有限性表明，需要制定标准化方案、扩大样本范围，并整合生理监测手段，以增强这些方法在宇航员训练和生物医学康复中的应用价值。

引言

人类对地球低轨道以外的探索是21世纪最重大的生物医学和工程挑战之一[1][2]。随着任务扩展到月球和火星，宇航员将长期处于低重力环境中，这种环境会影响多个生理系统[3]。月球和火星的低重力分别约为地球重力的六分之一和三分之一[4]，其引发的适应反应与国际空间站（ISS）上的微重力环境不同[5]。理解这些机制对于开发保护宇航员健康和任务表现的对策至关重要[5]。 Gemini、Apollo和ISS项目的研究表明，重力适应会导致心血管功能下降、肌肉骨骼萎缩、前庭功能改变以及感觉运动障碍[6][7]。尽管微重力的影响已有充分记录，但关于低重力的数据仍然匮乏，主要来自12名Apollo宇航员的短期月球任务及少数地面模拟实验。这一知识空白限制了将微重力研究结果推广到未来月球和火星任务的相关环境[5]。 基于地球的模拟技术包括使用部分体重支持系统、下肢正压（LBPP）跑步机和悬挂平台[8][9][10]来重现低重力环境。这些系统虽然能模拟低机械负荷，但无法完全再现地外环境的感官运动和感知特征。最近，虚拟现实（VR）作为一种补充工具出现，提高了低重力模拟的生态有效性[11]。VR提供了沉浸式的视觉、前庭和本体感觉反馈，使得对生理和行为反应的受控研究成为可能[12]。 证据表明，基于VR的低重力模拟器可以调节心血管活动、姿势控制和晕动症，同时为宇航员训练和对策测试提供了有效平台[13]。然而，现有文献存在方法学上的不一致性、样本量小以及跨生理领域的综合分析不足的问题[14][15]。 为填补这些空白，本综述探讨了三个主要研究问题：(I) 使用了哪些虚拟现实技术来模拟低重力；(II) 这些模拟研究了人体生理的哪些方面；(III) 得出了哪些主要结果及存在哪些局限性。 本综述为设计基于模拟的训练和研究方案奠定了基础，旨在整合生物医学、航空航天和人机交互领域的成果，以支持人类对月球和火星任务的适应。

方法

本综述遵循了PRISMA 2020系统评价和荟萃分析报告指南[16]，并符合“基于虚拟现实的低重力模拟器用于研究人体生理学”项目的目标。该方案在数据收集前制定，并在PROSPERO平台上注册（注册号为CRD420251062947），以确保透明度和可重复性。

结果

根据PRISMA 2020流程图（图1），共选择了23项研究。入选研究的结果汇总在表3中。 表4展示了关键生理指标的结构化定量分析结果，包括效应量的提取或标准化比较指标。

模拟低重力下的生理适应

对23项研究的综合分析表明，基于VR的低重力模拟器能够再现与太空飞行或卧床休息导致的生理变化相似的多系统适应现象。通过结合机械卸载技术和沉浸式或半沉浸式环境，这些系统能够有效研究人体在低重力下的心血管、神经肌肉和感知反应。

通过体重支持实现的机械卸载……

结论

本系统评价整合了23项研究的证据，证实基于VR的低重力模拟器是研究人体对低重力适应的有效且多功能平台。无论采用体重支持系统、下肢正压跑步机、气动悬挂装置还是混合现实装置等不同实现方式，VR均显著提升了实验的生态有效性、控制性和用户参与度。

这些系统……

作者贡献声明

Rosirene Gessinger：概念构思、数据整理、数据分析、方法论设计、初稿撰写、审稿与编辑。 Juliana Silva Herbert：概念构思、数据分析、方法论设计、项目管理、审稿与编辑、监督工作。 João de Carvalho Castro：数据整理、数据分析、方法论设计。 Gabriela Alves Rodrigues：数据分析、方法论设计。 Thais Russomano：概念构思、数据分析、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

我们感谢阿雷格里港联邦健康科学大学（UFCSPA）的康复科学研究生项目提供的帮助和支持。

Rosirene Gessinger是一位专攻耳鼻喉科和职业医学的医学博士，同时具备航空航天医学专长。她现任巴西航空航天医学学会会长（2024–2026年），担任南里奥格兰德州医学委员会航空航天医学技术分会的协调员，以及联邦医学委员会航空航天医学技术分会的正式成员，并持有航空医学考官（AME）资格。