NASA använder virtuell verklighet for att utbilda astronauter

Virtual Reality: A Drag Paradigm Extending From Technological Mechanisms to Human Consciousness

Introduktion och konceptuell ramverk

Virtual verklighet (virtual reality, VR) är en samling interaktiva tekniska miljöer som bryter användaren från dess fysiska miljö och placerar den i en artificiellt tillverkad, datorstödd värld. Detta koncept som en gång endast syntes vara en del av fantasiegenren eller en avlägsen framtid har idag genomsyrat nästan alla samhällssektorer, från utbildning och journalistik till militär simulering och klinisk terapi. Den grundläggande målsättningen med virtual verklighet är att väcka den psykologiska tillstånd som kallas , vilket innebär att sinnet upplever den artificiella miljön som en “verklighet” och beter sig som om det vore oberoende av den fysiska omgivningen.

Flödet avgör användarens hjärnas konsekvens i de signaler som tillförs de visuella, hörselsens och den taktila systemen. Om samstämmigheten mellan den tillförda bilden och kroppsuppfattningen störs försvinner känslan av att dra sig ifrån och användaren kan uppleva “virtuell verklighetsobekömdhet (VR-sjukdom)”. Därför vilar framgången för virtuell verklighet inte enbart på hårdvarans kvalitet, utan på en djup förståelse för hur den mänskliga uppfattningen kan bedragas.

Virtual Reality’s Fundamental Mechanisms

Den förbiförande förmågan hos den virtuella verklighetsupplevelsen bygger på att flera kognitiva och tekniska mekanismer fungerar samtidigt. Dessa system bygger upp illusionen av “plausibilitet” genom att efterlikna de naturliga ledtrådar som hjärnan använder för att uppfatta världen.

Stereoskopi och djupuppfattning

Människans hjärna tittar på ett objekt med två ögon från olika vinklar; det uppstår små skillnader mellan bilderna som faller på varje ögon (). Hjärnan sammanför dessa två bilder och skapar en djupuppfattning. Virtual reality-headset återskapar samma effekt artificiellt genom att projicera separata bilder på varje ögon. Denna teknik kallas och kräver att en egen skärm används för varje ögon.

Men här uppstår en viktig motsägelse: När ögonen fokuserar på en objekt på skärmen (accommodation) försöker de samtidigt alinera två bilder (vergence), men i verkligheten låses ögonmusklerna vid olika avstånd i miljöer där dessa naturligt sammanfaller. Eftersom den virtuella skärmen alltid befinner sig på ett fast avstånd medan dragna objekt rör sig i djup, kan denna konflikt, som kallas vergences-accommodation conflict (VAC), orsaka visuell trötthet och huvudvärk hos användaren. Detta är ett av de mest aktiva forskningsområdena för lösningar inom dagens virtuell verklighet.

Huvudspårning och rörelsetrabning

För att upplevelsen ska leva vidare måste bilden uppdateras i realtid genom att användarens huvudrörelser spelas av. , de kallaade enheterna, innehåller accelerometer (), gyroskop och magnetfältsensorer som i millisekunder spolar hur mycket användarens huvud roterar. Denna data bearbetas och scenen renderas om omedelbart; därmed säkerställs att perspektivet förändras på ett naturligt sätt när användaren tittar runt i miljön.

I avancerade system används för hela kroppen. Det finns främst två tillvägångssätt: positionsspårning inom ett område som skapas av externa sensorer (base stations) samt spårning av rörelser genom interna inertialmätningsenheter (). I vissa avancerade miljöer strävar man dessutom efter en helkroppsupplevelse genom att använda som fysiskt transporterar användaren.

Dokunşal återkoppling och haptiska system

Utöver visuell och ljudmässig indata är känseln avgörande för att kunna dra och flytta objekt. fördjupar uppfattningen av objekt genom att ge motstånd, vibrationer eller tryck. I system som utvecklats av NASA tillhör detta område ett särskilt viktigt fält, eftersom det att känna hur objekt beter sig i rymden är grunden för att lyckas med riktiga uppdrag (se avsnittet nedan).

Visningsområde och uppdateringsfrekvens

Synfältet (FOV)uppdateringsfrekvensen

NASAs Virtuella Laboratorium: Överlevnadsteknik i rymden

NASAs omfattande laboratorium för virtuell verklighet visar hur denna teknik spelar en livskritisk roll i ett av dess mest kritiska och riskabla applicationsområden—utbildningen av astronauter i , det vill säga utrymdsgång. Under en rymvandring lämnar astronauten kapselns gränser och utför uppdrag som att byta ut trasiga moduler, och denna process innebär livsfarliga risker.

# Historik över simulering av rymdtänkande

Detta verkar vara en fråga om rymdtänkande eller rymdtänkandeprocesser. För att jag ska kunna ge dig ett korrekt och användbart svar, behöver jag förstå bättre vad du är ute efter.

Är du intresserad av:

– Rymdtänkande i vetenskaplig mening – hur forskare simulerar eller tänker om rymden och universum
– Kreativt eller filosofiskt rymdtänkande – en metod för att tänka stört eller brett
– Något annat – ett specifikt koncept eller ämne

Om du kan förtydliga din fråga eller ge mer kontext, hjälper jag dig gärna med en noggrann och korrekt översättning eller förklaring.

Tidigare när en rymdfarare åkte ut i rymden kunde han endast lära sig vad han skulle stöta på genom att tidigare ha upplevt det utomhus i öppen rymd. För att minska antalet olyckor vände sig NASA:s forskare till mitten av 1980-talet till virtuella metoder för att öva på att uppleva rymdens rumsuppfattning, och idag är det förbättrade miljö som laboratoriet erbjuder en frukt av dessa arbeten. Idag känner nästan alla rymdfarare som tjänstgör på ISS vad som väntar när de lämnar kapseln.

Erfarenheten i laboratoriet är mycket rik: den erbjuder en grafisk tre-dimensionell (3D)-representation av Internationella rymdstationen (ISS); med en huvudenhet (headset), handskar som tillhandahåller taktil återkoppling och en kombination av rörelsesporare ger det en känsla av att vara utanför stationen. Varje del av strukturen är modellad med detaljer ända ner till den minsta kabeln och komponenten. Astronauter som bär utrustningen utför virtuella rymdaktiviteter, griper objekt och utforskar stationen i detalj, vilket gör att de inte förlorar sin riktning under en riktig uppdrag.

Charlotte Robotu: Mikrometerskalan för touchproblem

Den största begränsningen hos tidigare virtuella verklighetssystem var att man inte kunde känna föremål, och det här problemet löser . Roboten utgörs av ett nätverksliknande system som styrs av en central dator, och den använder avancerade fysikberäkningar för att bestämma hur ett föremål beter sig i mikroyngdkraftens miljö i rummet—där den tar hänsam till alla relevanta egenskaper som massa och tröghetsmoment för att säkerställa att förmålet rör sig realistiskt. Det simulerade förmålet placeras i robotens centrum, och en modell i full skala behövs inte.

SAFER-simuleringen: Nödsituationstraining

Den sista komponenten i laboratoriet är en virtuell version av enheten . Detta system simulerar att en astronaut lossnar från säkerhetsbältet under ett rymdgång och drivs bort i öppet utrymme; i ett sådant fall återvänder astronauten till stationen med hjälp av den kväve-drivna SAFER-enheten. Den virtuella upplevelsen omfattar både aktiveringen av denna enhet och navigeringen tillbaka till ISS, och utgör en förbättrad flygsimulator.

HoloLens- och augmented reality-projekt

Nasas öne çıkan gelişmelerden biri Microsoft ile işbirliğiyle yürütülen adlı artırılmış gerçeklik (augmented reality, AR) girişimidir. Ağ bağlantılı ilk holografik bilgisayar olan , kullanıcının yüksek çözünürlüklü hologramları görmesini ve etkileşime girmesini aynı zamanda surround sesle duymasını sağlar. Sidekick; astronotlarla yer ekibi arasındaki iletişimi kolaylaştırır, talimatların holografik teknolojiyle üstüne bindirilmesini, yüz yüze görüşmeleri, mesafeden çalışma arkadaşlarıyla etkileşimi ve envanter yönetimini mümkün kılar.

Ett projekt som fungerar på samma sätt som binder samman forskare med Mars miljö genom att utnyttja HoloLens’ förbättrade verklighetsteknik; Curiosity-landarens bilder används. Eftersom NASA-astronauter ännu inte har kunnat placeras fysiskt på Mars, flyttar OnSight forskarna virtuellt dit och ger dem möjlighet att kontrollera planetens upptäcktsfunktioner—Mars miljö är en potentiell fördel för de som undersöker geologin.

Sektörel ve Klinik Boyutlar

Virtual verklighet har utvecklat vetenskapligt validerade tillämpningar inom många områden av människans liv bortom underhållningsbranschen. Dessa tillämpningsområden visar att tekniken inte bara har visuella utan även kognitiva och fysiologiska effekter.

Medicin, rehabilitering och psykoterapi

Klinik alanda virtuell verklighet är ett kraftfullt verktyg. (phantom limb / uyanık uzuv sendromu), kan VR bidra till neurologisk rehabilitering genom att låta patienter uppfatta en saknad eller smärtsam kroppsdel som om den finns där. Vid behandling av posttraumatisk stressyndrom () terapeuter skapar kontrollerade virtuala miljöer som styr patienten mot att konfrontera traumaets källa i en säker miljö; denna approach ökar effektiviteten hos exponeringsterapi. Dessutom är det vanligt att kirurger övar igenom komplexa operationer i simulation samt att patienter styrs mot distraherande virtuala världar vid smärtshantering.

Utbildnings- och lärandeprocessen

I utbildningen möjliggör VR konkretisering av abstraka begrepp—elever kan “dyka ner” i en cell, bevittna historiska händelser eller säkert repetera farliga kemiska experiment. Applikationer som Uimersiv bidrar till att demokratisera utbildningen genom att göra denna approach gratis tillgänglig, eftersom elever lär sig abstrakt material mer beständigt genom interaktiva upplevelser.

Arbetssäkerhet och nödsituationer – utbildning

Som framgår av NASA-exemplet är virtuell verklighet (VR) oumbärlig för personal som arbetar i farliga miljöer – såsom militär personal, brandmän och personal vid kraftverk – att hantera kritiska situationer utan att löpa onödiga risker. Dessa utbildningar möjliggör en säker simulering av scenarion som är för kostsamma eller dödliga för att genomföras i verkligheten, vilket minskar antalet olyckor. Detta bygger på samma princip som NAsA:s approach till att visualisera risker för rymdsjuka.

Akademiskt resultat

Virtual reality är en produkt av människans uppfattning som återuppbyggs av ingenjörer; känslan av att dra, stereoskopi, rörelsetrabning och haptisk återkoppling dyker upp genom samordnad funktion av mekanismer. NASA:s laboratorium representerar en av de mest avancerade exemplen på denna teknik som en vetenskaplig framgång i att minska riskerna för överlevnad i rymden; det kombinerar beröring med Charlotte-roboten, nödutbildning med SAFER-simuleringen och utökad verklighet med HoloLens-baserade projekt. Användningarna inom medicin, utbildning och arbetssäkerhet visar den lagerförda effekten av denna teknik på människans liv. När tekniken utvecklas förutses tekniska begränsningar som VAC övervinnas och virtuala uppfattningar blir alltmer övertygande; men den grundläggande framgången kommer alltid att bygga på förståelsen för hur hjärnan bygger upp världen.

Akademisk utvärdering och källförteckning

Virtual verklighet är ett tvärvetenskapligt område: optisk teknik kopplar samman neurovetenskap, psykologi, kognitiv vetenskap och datavetenskap. Sammanfattningen av de grundläggande begreppen som lyfts fram i texten är följande:

• Dragning (närvaro):
• Vergens-akkommodationskonflikt (VAC):
• Haptisk feedback:
• Utökad verklighet (AR):

Källförteckning:

1. NASA:s laboratorium för immersiv visualisering / VR-laboratorium—Virtual reality-applikationer i rymdundervisning (arkivkälltext).
2. Project Sidekick — ett kommunikationsprojekt inom ökad verklighet baserat på HoloLens i samarbete med Microsoft, demonstrationsvisningar från 2015.
3. OnSight-projektet—nyfikna Marsundersökare med hjälp av bilder från Mars-rovern Curiosity (NASA).
4. Uimersiv — En gratis plattform för virtuell verklighet inriktad på utbildning (Rift, Gear VR, Daydream, Cardboard).

Obs: Ovanstående källor bygger på teknisk information som har erhållits från det tillhandahållna arkivtexten; det rekommenderas att granska officiella publikationer för att verifiera aktuella förhållanden som NASA-projekt och Microsoft-samarbeten.

Källnot: Denna studie sammanställdes och uppdaterades i ett akademiskt tekniskt granskningsformat baserat på arkiverad dokumentation från https://unimersiv.com/how-nasa-is-using-virtual-and-augmented-reality-to-train-astronauts-37/.