隨著人類太空任務的推進，太空探索正從短期訪問轉向長期居住，包括國際空間站（ISS）的持續運行、月球基地建設、火星探險以及潛在的深空任務。長期任務對資源利用、生命支持以及生理和心理健康維護系統提出了高要求。在這些因素中，食物和營養不僅是能量的來源，更是決定宇航員健康、表現和任務成功的關鍵因素（Barbero Barcenilla等人，2025年）。

太空食品系統主要依賴于地球上預先準備好的、預包裝的、冷凍干燥或脫水的食品，這些食品適用于長期儲存，定期補給任務為軌道平臺和空間站提供能量和營養。這種模式對于短期、近地軌道（LEO）任務來說是可行的；然而，隨著任務持續時間的延長，補給頻率降低，水資源、能源和居住空間等資源變得越來越有限，傳統補給方式的局限性日益凸顯。例如，有限的菜單選擇常常導致飲食疲勞，從而減少食欲和營養攝入（Douglas等人，2025年）。確保微量營養素的穩定性仍然是一個問題，因為長時間儲存或加工可能導致熱不穩定化合物（如維生素C、維生素B12和多不飽和脂肪酸）的降解（Cooper等人，2017年）。同時，太空環境對人類身體產生復雜而深遠的影響，包括骨密度下降、肌肉萎縮、體液重新分布、免疫抑制以及氧化和輻射損傷。這些變化會改變能量和宏量/微量營養素的需求，使得傳統飲食難以滿足實際的生理需求，可能導致營養不足或失衡（Costa等人，2021年）。許多飛行和地面模擬研究表明，宇航員的實際能量攝入量經常低于預測水平，伴隨著體重減輕和肌肉骨骼損失（Smith等人，2001年）。在微重力環境下，關鍵氨基酸和抗氧化代謝途徑（如谷胱甘肽合成和牛磺酸代謝）會失調，表明營養狀況與身體對抗代謝壓力的能力之間存在脫節（Dickerson等人，2023年）。此外，長期任務還常常導致維生素D和K、微量元素及抗氧化能力的下降（Chaloulakou等人，2022年）。綜上所述，深空營養的核心挑戰不僅僅是提供穩定的食物供應，而是在不斷變化的生物和環境條件下維持營養充足性和生理韌性。

至關重要的是，個體在遺傳背景、代謝特征和生理反應方面存在顯著差異，導致對太空環境的反應各不相同（Guo等人，2025年）。這種異質性意味著基于群體的統一飲食模型無法充分滿足宇航員在延長任務中的動態健康需求。因此，開發能夠實時感知、預測和個性化響應的營養策略不僅是必要的，也是維護機組人員健康和確保深空任務成功的必要條件。在資源極度有限和補給計劃嚴格的條件下，減少對地球補給的依賴，同時提高食品系統的自給自足能力和適應性的營養靈活性變得至關重要。合成生物學、微生物工程、細胞農業以及三維（3D）打印等食品結構技術的最新進展為現場營養合成和新型食品生產提供了可行的途徑（Graham & Ledesma-Amaro，2023年；Que等人，2025年）。這些技術能夠高效地將碳源和廢物轉化為營養化合物，降低成本和對地球資源的依賴。同時，人工智能（AI）和數字孿生（DT）技術的整合將個體生理數據和多組學信息與生產系統聯系起來。AI可以從多模態數據集中學習，預測營養需求并動態調節生物反應器的運行，從而實時生產個性化的太空飲食（Pannico等人，2022年）。在這種背景下，太空營養可以被構建為一個綜合的、活的系統，通過智能生物制造和數據驅動的調節，動態耦合宇航員的生理狀況、微生物組和封閉的生態環境。

基于這一系統層面的視角，本文重點探討了生物制造和AI技術如何在太空任務中實現個性化營養。它總結了太空環境引發的主要營養挑戰和生理適應機制，探索了航天學中精準營養的科學基礎和技術路徑，并強調了微生物、植物和細胞制造平臺在實現可持續封閉循環食品生產方面的潛力。通過整合AI驅動的監測和控制框架，本文設想了一種從靜態補給向動態、適應性和自維持的太空食品生態系統的范式轉變，為未來人類深空探索中的營養自主性提供了科學和技術基礎。

為了進一步將這些技術路徑置于任務場景中，我們提出了一個太空食品系統的自主性層次模型，該模型根據食品生產策略與地球供應和運營控制的獨立程度進行分類，從L0（完全依賴地球提供的預包裝食品）到L5（通過封閉循環生物制造、現場資源利用和自適應系統調節實現的外星自給自足）（表1）。該模型整合了三個核心維度，包括資源依賴性、營養和物質循環的閉合性以及生理-生產的耦合性，以在統一的系統框架內定位和比較當前和新興技術。

食物是宇航員生命支持的基本組成部分，其設計和供應系統隨著人類太空飛行的發展而演變。從“水星”和“雙子座”計劃到國際空間站，以及為深空任務做準備，太空食品系統經歷了多次轉變，從以生存為導向的模式發展為同時關注營養充足性、感官滿足度、心理健康和個人偏好的模式。

太空環境與地球有根本不同，對人類身體產生復雜而多維度的影響。即使是被嚴格挑選且身體健康的宇航員，在長期任務中也會因微重力、輻射暴露、封閉環境和隔離等因素而經歷顯著的生理和代謝變化。

太空個性化營養的總體目標是通過整合個體的遺傳、表型、醫療和營養信息，來維持或促進宇航員的健康，從而實現更精確的飲食指導和定制的營養干預（Ordovas等人，2018年）。隨著太空生命科學數據和AI的快速發展，開發一個結合多維度監測、預測建模和反饋驅動生產的封閉循環系統已成為重點。

為了應對長期和深空任務中的營養、心理和操作挑戰，其中食品多樣性、自主生產和長期健康維護至關重要，精準營養的實現必須依賴于先進計算決策系統與靈活生物制造技術的整合。研究人員正在積極探索多種替代食品來源，包括植物、藻類、昆蟲和微生物。

在長期太空任務中，任何精準營養策略的可行性都取決于其與高效封閉循環資源系統的兼容性。自20世紀50年代末以來，科學家們一直在研究生物再生生命支持系統，即封閉生態生命支持系統（CELSS）。這些系統旨在實現水、氧氣、營養素和廢物的連續回收。

長期太空飛行涉及生物、技術和環境壓力的復雜相互作用，遠遠超出了傳統營養范式的范疇。本文回顧了從描述太空引起的生理變化（包括肌肉和骨骼損失、免疫調節、氧化應激和微生物群失調）到基于精準營養和生物制造技術制定適應性營養框架的發展歷程。

劉俊麗：撰寫——原始草稿，可視化，數據整理，概念化。曾德勇：撰寫——原始草稿，監督，方法論，資金獲取。胡碧春：可視化，監督。王衛平：驗證，監督。胡帥民：可視化，調查，數據整理。亞歷杭德羅·西富恩特斯：概念化。廖國建：資源獲取，調查，概念化。龍夢飛：軟件，形式分析。趙海天：驗證，調查。盧衛紅：

本研究得到了中國重慶市自然科學基金（項目編號：CSTB2024NSCQ-MSX0863、CSTB2024NSCQ-MSX0462）和中國黑龍江省頭雁團隊的支持（項目編號：HITTY-20190034）。

作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。

圖1、圖2和圖3是用Biorender.com創建的。