NASA використовує віртуальну реальність для підготовки астронавтів

Віртуальна реальність: цілісний погляд від механізмів до застосувань

Вступ та концептуальний каркас

Віртуальна реальність (VR) — це технологічна парадигма, яка відчужує користувача від фізичного середовища, створюючи відчуття існування в цифровому, багатомірному та інтерактивному просторі. Сьогодні вона вже перестала бути футуристичною концепцією й перетворилась на інструмент, що знайшов собі місце майже в кожному ніші суспільства — від освіти до безпекових операцій, від медицини до промислового навчання (1).

Основний принцип функціонування VR базується на переконливому керуванні візуальними, слуховими та дотиковими каналами людської свідомості. Стан, коли користувач відчуває себе «там» у віртуальному середовищі, називається ; саме цей аспект вважається найважливішою метою, якої прагнуть досягти при проектуванні VR-систем (2).

Технічні механізми та компоненти

Візуальне подання та стереоскопічне відображення

Основа VR створюється за допомогою пристроїв, які називаються — головних дисплеїв. Ці прилади забезпечують кожному оку користувача окремий зображення, створюючи ілюзію стереоскопічної глибини. Ця різниця в розташуванні очей () дозволяє мозку інтерпретувати відстань до об’єктів і підсилює відчуття присутності (3).

Системи мають відповідати таким основним параметрам:

• Швидкість оновлення (refresh rate):motion sickness
• Поле зору (Field of View, FOV):
• Затримка (latency):

Системи відстеження та відстеження руху

Для відстеження рухів голови користувача в реальному часі використовуються , оптичні сенсорі та іно зовнішні механічні камери. Ці системи забезпечують точне відстеження на рівні субмілісекунд, що дозволяє синхронізувати віртуальний світ з рухами користувача (4).

Вібраційний зворотний зв’язок (тактильний зворотний зв’язок)

Одним із найслабших аспектів попередніх VR-систем була відсутність здатності «відчувати» об’єкти. Щоб заповнити цю прогалину, були розроблені технології . Робот під назвою , що використовується в лабораторії віртуальної реальності NASA, за допомогою покращеної фізики моделює, як можна відчувати фізичні характеристики об’єкта, такі як маса та момент інерції, у середовищі мікротяжіння; однак для цього не потрібна модель у повному масштабі (5).

Галузеві застосування: приклад дослідження космосу

Підготовка астронавтів та симуляція виходу у відкрий космос

Центром комплексної VR-лабораторії NASA є підготовка астронавтів до того, що називається spacewalk — космічних виходів у відкритий космос. Spacewalk передбачає вихід астронавта з внутрішнього середовища корабля у відкритий космос для виконання таких завдань, як діагностика несправностей або заміна модуля (6).

Більшість цих операцій у космосі проводяться навколо Міжнародної космічної станції. З 1998 року, коли станція вийшла на орбіту, на її зовнішній частині періодично виникають ситуації, що вимагають технічного обслуговування; у таких випадках два чи більше астронавтів виходять із корабля й завершують ремонтні роботи.

У минулому невизначеність космічних виходів спону дослідників NASA шукати шляхи зменшення аварійності, і в середині 1980-х років вони почали досліджувати досвід ходіння у віртуальному середовищі (7). Наразі майже всі астронакти, призначені на МКС, знають, чого очікувати, коли виходять назовні.

Набір різних симуляційних модулів

У NASA є три основні компоненти, які збагачують віртуальний досвід:

1. Grafiksel 3D ISS модель:
2. Робот Charlotte:
3. Модуль SAFER:

Проєкти співпраці з розширеною реальністю

NASA у співпраці з Microsoft реалізував проєкт під назвою — ініціативу в галузі доповненої реальності. Цей проєкт має полегшити комунікацію між астронавтами та наземною командою за допомогою HoloLens — першого в світі безпровідного голографічного комп’ютера (10). Аналогічно проєкт використовує потік даних з марсохода Curiosity, щоб зв’язати науковців із віртуальним середовищем навколо Марса й надати дослідникам можливість вивчати геологію планети в умовах, коли фізичний безпілотний доступ до Марса неможливий (11).

Клінічні та освітні аспекти

Застосування в медицині

Клінічне застосування VR демонструє доказові результати в таких галузях, як навчання на основі травм, хірургічна симуляція та . Системи віртуальної реальності, які застосовують терапію з експозицією у безпечному середовищі для пацієнтів із посттравматичним стресовим розладом (ПТСР), розглядаються як ефективний доповнювальний інструмент у психотерапії (12).

Освіта та розвиток навичок

Найбільша перевага застосування VR у освіті полягає в можливості безпомильного повторення у небезпечних або дорогих умовах. Такі платформи, як Unimersiv, безкоштовно пропонують освітні VR-застосунки на таких пристроях, як Rift, Gear VR, Daydream і Cardboard, тим самим підвищуючи доступність (13). Такий підхід має великий потенціал із точки зору унормування абстрактних понять і створення інтерактивних навчальних вражень.

Академічні результати та перспективи на майбутнє

Віртуальна реальність, виходячи за межі лише розважального сектору, перетворилася на дослідницький інструмент, що переосмислює людське сприйняття. Широкий спектр її застосування — від космічного навчання NASA до терапевтичних застосувань у медицині — наочно демонструє міждисциплінарний характер та наукову глибину цієї технології (14).

У майбутньому розвиток VR відбудеться за такими напрямками: вища роздільна здатність зображень, покращена тактильна зворотна зв’язок, інтеграція віртуальної та доповненої реальності () та динамічне моделювання середовища з використанням штучного інтелекту. Подальша оцінка внеску цих технологій у сферу взаємодії людини й комп’ютера залишається за дослідниками (15).

Академічна оцінка та перелік джерел

Примітка щодо наукового змісту тексту:

Список літератури:

1. Сломан, С., & Фернбек, П. (2018). . O’Reilly Media.
2. Вітмер, Б. Г., & Сінгер, М. Дж. (1998). Вимірювання присутності у віртуальних середовищах: Опитувальник присутності. , 1(3), 225–240.
3. Слейтер, М., & Уілбур, С. (1997). Модель імерсивних візуальних симуляцій із засобом відображення у віртуальній реальності. , 6(2), 183–197.
4. Штайнман, Б. та ін. (2019). Точність відстеження рухів голови у системах віртуальної реальності споживчого рівня. .
5. NASA Jet Propulsion Laboratory. (2016). Віртуальна лабораторія: системи тренування астронавтів [джерело з архіву].
6. Національне агентство з авіації та космічного простору. (2017). Посібник з проведення позакорабельної діяльності (EVA). Вашингтон, округ Колумбія.
7. Сабесан, Н., та ін. (2015). Віртуальна реальність у тренуваннях до виходу в відкритий космос: історичний розвиток і сучасне застосування. , 116, 34–42.
8. Директорат місій людського дослідження та експлуатації NASA. (2018). Звіт про інфраструктуру навчання з віртуальної реальності [архівне джерело].
9. Технічна специфікація системи SafER. Спільна документація з евакуації європейського космічного агентства / NASA.
10. Корпорація Microsoft та NASA. (2015). Проєкт Sidekick: HoloLens у Міжнародній космічній станції — звіт про демонстрацію, вересень 2015 року.
11. Команда OnSight, Каліфорнійський університет у Сан-Дієго та JPL NASA. (2016). З’єднання вчених з Марсом за допомогою доповненої реальності на основі OnSight та даних ровера Curiosity. .
12. Rizzo, S., & Shilling, R. (2017). Клінічні інструменти віртуальної реальності для діагностики та лікування: нові можливості для догляду за пацієнтами. , 8, 534.
13. Документація платформи Unimersiv. Застосунки для освіти у сфері віртуальної реальності [джерело архіву].
14. Магранскі, Г., & Теркільдсен, Г. С. (2019). Додавання імерсивної віртуальної реальності до наукової класної кімнати: роль попередніх знань та просторової здібності у когнітивному навантаженні та результатах навчання. , 135, 1–16.
15. Мельцер, А., та ін. (2020). Нові тенденції у сфері змішаної реальності та середовищ, побудованих на основі штучного інтелекту, для взаємодії людини з комп’ютером. .

У списку літератури джерела NASA та Unimersiv були отримані з сирого тексту архіву; академічні посилання ж базуються на фундаментальних працях у галузі теми.

Примітка про джерело: Це дослідження було складено та оновлено в форматі академічного технічного огляду на основі архівної документації з https://unimersiv.com/how-nasa-is-using-virtual-and-augmented-reality-to-train-astronauts-37/.