Biomechanical quantification of muscle loading to improve the quality of microgravity countermeasure prescriptions for resistive exercises

The Advanced Resistive Exercise Device (ARED) is a strength training equipment designed by NASA that astronauts use to maintain preflight muscle and bone strength and endurance in space. The device uses an adjustable resistance piston-driven vacuum cylinders along with a flywheel to the system to provide loading for astronauts to experience load and preserve the muscle strength and mass during long periods in space. The aim of this study is, to evaluate an optimal load level to be used in ARED for each resistive exercise. The internal force and moment of each joint in the lower extremity developed during four different resistive exercises and an optimal loading level to remain muscle strength in the microgravity state was evaluated. The data collection was conducted under normal gravity conditions with the participation of one astronaut. Kinematic data were acquired from the ELITE-S2 motion capture system and force data were obtained from force plates. For data processing stage, BTS SMART Analyzer was used to calculate and evaluate required parameters such as processed marker trajectories, GRF data, linear and angular acceleration, the center of mass, etc. Some assumptions allowed to assemble a complete set of parameters. The outputs allow to arrange an optimized exercise program and increase the knowledge about how resistance exercise in weightlessness affects the body. The analysis of obtained data and results prove how important motion capturing in weightless condition and the necessity to gather accurate data to evaluate all extremities. The obtained results are satisfactory in terms of similarity and accuracy with respect to relevant studies in literature and the study can be further based on improved marker positioning and placement of cameras.

L'Advanced Resistive Exercise Device (ARED) è un'attrezzatura per l'allenamento della forza progettata dalla NASA che gli astronauti usano per mantenere la forza e la resistenza ossea e la resistenza nello spazio. Il dispositivo utilizza cilindri a vuoto a pistone con resistenza regolabile e un volano per il sistema che consente agli astronauti di caricare il carico e preservare la forza e la massa muscolare durante lunghi periodi nello spazio. Lo scopo di questo studio è di valutare un livello di carico ottimale da utilizzare in ARED per ogni esercizio resistivo. È stata valutata la forza e il momento interni di ogni articolazione degli arti inferiori sviluppati durante quattro diversi esercizi resistivi e un livello di carico ottimale per mantenere la forza muscolare nello stato di microgravità. La raccolta dei dati è stata condotta in normali condizioni di gravità con la partecipazione di un astronauta. I dati cinematici sono stati acquisiti dal sistema di motion capture ELITE-S2 e i dati di forza sono stati ottenuti dalle piastre di forza. Per la fase di elaborazione dei dati, BTS SMART Analyzer è stato utilizzato per calcolare e valutare i parametri richiesti come traiettorie dei marker elaborati, dati GRF, accelerazione lineare e angolare, centro di massa, ecc. Alcune ipotesi consentivano di assemblare un set completo di parametri. Le uscite consentono di organizzare un programma di esercizi ottimizzato e aumentare le conoscenze su come l'esercizio di resistenza in assenza di gravità influisce sul corpo. L'analisi dei dati e dei risultati ottenuti dimostra quanto sia importante l'acquisizione del movimento in condizioni di assenza di peso e la necessità di raccogliere dati accurati per valutare tutte le estremità. I risultati ottenuti sono soddisfacenti in termini di somiglianza e accuratezza rispetto agli studi pertinenti in letteratura e lo studio può essere ulteriormente basato sul miglior posizionamento del marcatore e sul posizionamento delle telecamere.