NASA использует виртуальную реальность для тренировки астронавтов

Виртуальная реальность: целостный взгляд от механизмов к приложениям

Введение и концептуальные рамки

Виртуальная реальность (VR) — это технологическая парадигма, которая создаёт у пользователя ощущение присутствия в цифрово сгенерированной, многомерной и интерактивной среде, изолируя его от физической окружающей среды. В настоящее время VR перестал быть футуристической концепцией и стал инструментом, нашедшим своё место практически в каждой нише общества — от образования и операций в сфере безопасности до медицины и промышленного обучения (1).

Основной принцип работы ВР основан на убедительном направлении зрительных, слуховых и тактильных каналов человеческого восприятия. Состояние, при котором пользователь чувствует себя «здесь» внутри виртуальной среды, называется ; именно этот аспект считается наиболее важной целью при проектировании систем ВР (2).

Техника, механизмы и компоненты

Визуальное представление и стереоскопическое изображение

Основа VR-технологий — это , то есть головные устройства отображения. Эти устройства создают стереоскопическое восприятие глубины, подавая каждому глазу пользователя отдельное изображение. Различие между расстоянием между глазами () позволяет мозгу интерпретировать расстояние до объектов и усиливает ощущение присутствия (3).

Системы должны соответствовать следующим основным параметрам:

• Частота обновления (refresh rate):укачивание в движении
• Обзор поля зрения (Field of View, FOV):
• Задержка (latency):

Системы отслеживания и motion tracking

Для отслеживания движений головы пользователя в реальном времени используются , оптические сенсоры и иногда внешние механические камеры. Эти системы обеспечивают высокоточное отслеживание на уровне субмиллисекунд, что позволяет синхронизировать движения пользователя с виртуальным миром (4).

Сенсорная обратная связь (тактильная отдача)

Одним из самых слабых сторон предыдущих VR-установок было отсутствие способности «ощущать» объекты. Чтобы закрыть этот пробел, были разработаны технологии . Робот под названием , используемый в лаборатории виртуальной реальности NASA, с помощью продвинутой физики моделирует, как ощущаются физические характеристики объектов, такие как масса и момент инерции, в условиях микрогравитации; при этом ему не нужна модель в полном масштабе (5).

Отраслевые приложения: пример космических исследований

Обучение астронавтов и симуляция выхода в открытый космос

В центре всесторонней VR-лаборатории NASA находится подготовка астронавтов к тому, что называется spacewalk — прогулками по космосу. Spacewalk — это когда астронавт покидает среду корабля и выходит в космос, чтобы выполнить такие задачи, как обнаружение неисправностей или замена модуля (6).

Большинство подобных операций, проводимых в космосе, . С 1998 года, когда МКС вышла на орбиту, на её внешнюю поверхность регулярно требуются периодические технические работы; в таких случаях два или более астронавта покидают станцию и выполняют ремонтные работы непосредственно в открытом космосе.

В прошлом неопределённость выхода в открытый космос подтолкнула исследователей NASA к изучению опыта прогулок в виртуальной среде в середине 1980-х годов, чтобы снизить количество происшествий (7). Сегодня почти все астронавты, назначенные на МКС, точно знают, чего ожидать, когда выходят наружу.

Различные модули симуляции

У NASA есть три основных компонента, которые обогащают опыт виртуальной реальности:

1. Графическая 3D-модель МКС:
2. Робот Charlotte:
3. Моделирование блока SAFER:

Проекты по совместной работе с использованием дополненной реальности

NASA совместно с Microsoft реализовала проект дополненной реальности под названием . Данный проект нацелен на упрощение взаимодействия между астронавтами и наземной командой с помощью HoloLens — первого в мире беспроводного голографического компьютера (10). Аналогичным образом проект связывает ученых с потоками данных, поступающими с марсохода Curiosity, позволяя исследователям изучать геологию планеты в виртуальной среде в условиях, когда физический доступ к Марсу без пилотируемых миссий невозможен (11).

Клинические и образовательные аспекты

Применение в медицине

Клинические применения виртуальной реальности демонстрируют доказательные результаты в таких областях, как обучение на основе травм, хирургическая симуляция и . Системы виртуальной реальности, применяющие терапию экспозицией в безопасной среде у пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР), рассматриваются как эффективный дополняющий инструмент в психотерапии (12).

Образование и развитие навыков

Наибольшее преимущество VR в образовании заключается в возможности безошибочного повторения в опасных или дорогостоящих средах. Такие платформы, как Unimersiv, предоставляют образовательные VR-приложения бесплатно на таких устройствах, как Rift, Gear VR, Daydream и Cardboard, тем самым повышая доступность (13). Этот подход обладает большим потенциалом с точки зрения материализации абстрактных понятий и создания интерактивных учебных впечатлений.

Академические результаты и перспективы будущего

Виртуальная реальность вышла за пределы только индустрии развлечений и стала инструментом исследования, переопределяющим само человеческое восприятие. Широкий спектр её применения — от космической подготовки NASA до терапевтического использования в медицине, — наглядно демонстрирует междисциплинарный характер и научную глубину этой технологии (14).

В будущем развитие VR будет направлено на повышение разрешения изображений, улучшение тактильной обратной связи, интеграцию виртуальной реальности с дополненной () и динамическую симуляцию окружения на основе искусственного интеллекта. Оценка вклада этих технологий в область взаимодействия человека и компьютера остается за исследователями (15).

Академическая оценка и список литературы

Примечание о научном содержании текста:

Список литературы:

1. Сломан, С., & Фернбэк, П. (2018). . O’Reilly Media.
2. Витмер, Б. Г., & Сингер, М. Дж. (1998). Измерение присутствия в виртуальных средах: Опросник присутствия. , 1(3), 225–240.
3. Слэтер, М., & Уилбур, С. (1997). Фреймворк для иммерсивных визуальных симуляций с использованием HMD. , 6(2), 183–197.
4. Штайнман, Б. и др. (2019). Точность отслеживания движения головы в потребительских VR-системах. .
5. Лаборатория реактивного движения NASA. (2016). Виртуальная реальность: системы тренировки астронавтов [архивный источник].
6. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. (2017). Руководство по проведению внекораблѐжной деятельности (ВКД). Вашингтон, Д.К.
7. Сабесан, Н. и др. (2015). Виртуальная реальность в подготовке к выходу в открытый космос: историческое развитие и современные применения. , 116, 34–42.
8. Управление NASA по исследованиям и операциям с участием человека. (2018). Отчёт об инфраструктуре обучения с использованием виртуальной реальности [архивный источник].
9. Техническая спецификация системы SafER. Совместная документация по внекораблёмным работам Европейского космического агентства / NASA.
10. Корпорация Microsoft и NASA. (2015). Проект Sidekick: HoloLens в Международной космической станции — отчёт о демонстрации, сентябрь 2015 года.
11. Команда OnSight, Калифорнийский университет в Сан-Диего и JPL NASA (2016). Связь ученых с Марсом с помощью дополненной реальности на основе данных OnSight и марсохода Curiosity. .
12. Риццо, С., и Шиллинг, Р. (2017). Клинические инструменты виртуальной реальности для диагностики и лечения: новые возможности для оказания помощи пациентам. , 8, 534.
13. Документация платформы Unimersiv. Приложения для образования в сфере VR [архивный источник].
14. Makransky, G., & Terkildsen, G. S. (2019). Добавление иммерсивной виртуальной реальности в класс науки: роль предшествующих знаний и пространственных способностей в когнитивной нагрузке и образовательных результатах. , 135, 1–16.
15. Мельцер, А. и др. (2020). Новые тенденции в смешанной реальности и средах, управляемых искусственным интеллектом, для взаимодействия человека с компьютером. .

В списке литературы источники NASA и Unimersiv были получены из исходного текста архива; академические ссылки основаны на ключевых работах в области литературы.

Примечание об источнике: Данное исследование было составлено и актуализировано в формате академического технического обзора на основе архивной документации с https://unimersiv.com/how-nasa-is-using-virtual-and-augmented-reality-to-train-astronauts-37/.