NASA використовує віртуальну реальність для підготовки астронавтів

Віртуальна реальність: парадигма перетягування від технологічних механізмів до людської свідомості

Вступ та концептуальний каркас

Віртуальна реальність (VR) — це сукупність інтерактивних технологічних середовищ, які відсторонюють користувача від фізичного оточення й розміщують його у штучно створеному, підтримуваному комп’ютером світі. Колись цей концепт здавався характерним лише для жанру фентезі чи віддаленого майбутнього, сьогодні ж він проник у майже кожен сегмент суспільства — від освіти й журналістики до військового моделювання й клінічної терапії. Основна мета віртуальної реальності — викликати в користувача психологічний стан, який називають ; цей стан передбачає, що розум сприймає штучне середовище як «реальність» і поводиться так, ніби він незалежний від фізичного оточення.

Процес визначає узгодженість сигналів, які користувач надає візуальній, слуховій та дотиковій системам. Якщо узгодженість між поданим зображенням та сприйняттям тіла порушується, відчуття переміщення зникає, і користувач може зазнати «віртуального розладу (VR sickness)». Тому успіх віртуальної реальності ґрунтується не лише на якості апаратного забезпечення, а й на глибокому розумінні того, як саме обманюється людське сприйняття.

Основні механізми віртуальної реальності

Надійність віртуального досвіду ґрунтується на одночасній роботі кількох когнітивних та технологічних механізмів. Ці системи створюють ілюзію «правдоподібності» (plausibility), імітуючи природні підказки, які мозок використовує для сприйняття світу.

Стереоскопічне бачення та сприйняття глибини

Людський мозок розглядає об’єкт двома глазами з різних кутів; між зображеннями, що потрапляють на кожне око, виникають невеликі розбіжності (). Мозок об’єднує ці два зображення, формуючи відчуття глибини. Пристрої віртуальної реальності відтворюють той самий ефект штучно, проєктуючи на кожне око користувача окремі зображення. Ця технологія називається і передбачає використання незалежного екрана для кожного ока.

Але тут виникає важлива суперечність: коли очі фокусуються на об’єкті на екрані (акомодация), вони намагаються синхронізувати два зображення (вергенція), проте в реальному світі очні м’язи фіксуються на різних відстанях, оскільки ці два процеси природно узгоджені. Оскільки віртуальний екран завжди знаходиться на фіксованій відстані, а перетягнуті об’єкти рухаються залежно від глибини, ця суперечність, відома як конфлікт вергенції-акомодациї (VAC), може викликати втомлюваність очей та головний біль. Це одна з найбільш активних областей досліджень у сфері сучасної віртуальної реальності.

Відстеження руху голови та тіла

Щоб візуалізація залишалась живою, зображення має оновлюватися миттєво залежно від рухів голови користувача. Пристрої, відомі як , за допомогою вбудованих акселерометрів (), гіроскопів та сенсорів магнітного поля відслідковують поворот голови користувача з точністю до мілісекунд. Ці дані обробляються, і сцена перегенерується в реальному часі, що забезпечує природну зміну перспективи при огляді навколишнього середовища.

У просунути системах використовується для всього тіла. Існують два основні підходи: відстеження позиції всередині простору, створеного зовнішніми датчиками (базовими станціями), та відстеження руху за допомогою внутрішніх інерційних вимірювальних блоків (). У деяких просунутих середовищах повноцінний досвід усього тіла досягається за допомогою , які фізично переміщують користувача.

Докунувальний зворотний зв’язок та тактильні системи

Поза межами візуального та аудіального входу, відчуття дотику відіграє критично важливу роль у процесі перетягування. поглиблює сприйняття об’єкта через надання тиску, вібрації чи опору. У таких системах, як розроблені NASA, ця сфера набуває особливої ваги; адже здатність відчувати, як поводяться тіла у просторі, є основою успішного виконання реальних завдань (див. розділ нижче).

Горизонт огляду та швидкість оновлення

Поле зору (FOV)частота оновлення

Лабораторія віртуальної реальності NASA: технології виживання у космосі

Комплексна віртуальна лабораторія NASA демонструє, як цей технологічний засіб відіграє життєво важливу роль у одному з найкритичніших і найбільш ризикованих напрямків застосування—навчанні астронавтів до , тобто до евакуаційних робіт за межами космічного корабля. Під час виходу в відкритий космос астрона执行 виконує завдання, наприклад, заміну несправного модуля, виходячи за межі капсули, і цей процес супроводжується смертельно небезпечними ризиками.

Симуляція уявлення про простір

Історичний огляд концепції симуляції простору в комп’ютерній графіці та обчислювальній геометрії. Розвиток алгоритмів тривимірного моделювання, методи візуалізації та їх застосування в сучасних технологіях.

У минулих років, коли астронавт виходив у відкритий космос, він міг дізнатися, з чим зіткнеться, лише вже маючи досвід перебування на відкритому просторі. Щоб зменшити кількість аварій, дослідники NASA у середині 1980-х років звернулися до віртуальних методів моделювання перебування у космосі, і сьогодні розширене середовище, яке пропонує лабораторія, є плодом цих досліджень. Сьогодні майже всі астронакти, що виконують завдання на МКС, зазвичай заздалегідь знають, чого очікувати, коли виходять із капсули.

Досвід роботи в Laboruvardaki є доволі багатим: пропонується графічне тривимірне (3D) представлення Міжнародного космічної станції (ISS); за допомогою головного пристрою (headset), рукавиць із тактильною зворотним зв’язком та комплекту відслежувачів руху створюється відчуття того, що ви знаходитеся за межами станції. Кожна частина конструкції детально змодельована — аж до найменшого кабелю та компонента. Астронавти, одягнувши це обладнання, виконують віртуальну роботу в просторі, захоплюють об’єкти та досліджують станцію у деталях, тому під час реальної місії не втрачають орієнтацію.

Робот Charlotte: проблема дотиків у мікроекономіці

Найбільшим обмеженням попередніх систем віртуальної реальності була неможливість відчувати об’єкти, і цей проблему вирішує . Робот, що складається з мережеподібної структури, якою керує центральний комп’ютер, за допомогою фізичних обчислень високого рівня визначає, як об’єкт поводитиметься в мікротяжкості простору, враховуючи всі відповідні характеристики, такі як маса та момент інерції, що забезпечує реалістичний рух об’єкта. Симульований об’єкт розміщується в центрі робота, і повномасштабна модель не потрібна.

Симуляція SAFER: Навчання дій у надзвичайних ситуаціях

Останнім компонентом у Laboruvardaki є віртуальна версія системи . Ця система моделює ситуацію, коли астронавт від’єднується від страховочного ременя під час виходу у відкритий космос і заносить його у простір; у такому разі астронавт повертається на станцію за допомогою азотної рушійної системи SAFER. Віртуальний досвід охоплює як активацію цієї системи, так і навігацію повернення на МКС, і являє собою покращену копію льотного симулятора.

HoloLens та проєкти розширеної реальності

Одним із інших помітних досягнень у процесі навчання NASA з використанням технології перетягування є проєкт — ініціатива у сфері розширеної реальності (augmented reality, AR), яка реалізується у співпраці з Microsoft. Перший у світі підключений до мережі голографічний комп’ютер дозволяє користувачеві бачити та взаємодіяти з голограмами високої роздільної здатності, а також чути об’ємний звук навколо нього. Sidekick спрощує комунікацію між астронавтами та наземною командою, забезпечує накладання інструкцій на голографічну технологію, проводить очні консультації, дозволяє взаємодіяти з колегами на відстані та управляти інвентарем.

Аналогічно до проєкту працює , який використовує можливості доповненої реальності HoloLens для зв’язування вчених із марсіанським середовищем; при цьому застосовуються зображення з дослідницького ровера Curiosity. Оскільки астронавти NASA ще не здатні фізично розміститися на Марсі, OnSight дозволяє віртуально переносити дослідників туди й надає їм можливість керувати функціями дослідження планети — що може стати потенійною перевагою для тих, хто вивчає геологію марсіанського середовища.

Секторальні та клінічні аспекти

Віртуальна реальність, виходячи за межі індустрії розваг, розробила численні застосування з науково доведеною валідністю в багатьох сферах людського життя. Ці сфери застосування виявляють не лише візуальний, а й когнітивний та фізіологічний вплив цієї технології.

Медицина, реабілітація та психотерапія

У сфері охорони здоров’я віртуальна реальність є потужним інструментом. Як показано на прикладі Марти Девіс, яка відчувала, що втратила руку (фантомний біль / синдром «фаномної кінцівки»), VR допомагає пацієнтам відчувати відсутній чи болячий кінцівку так, ніби вона існує, сприяючи неврологічної реабілітації. При лікуванні посттравматичного стресового розладу (ПТСР) терапевти створюють контрольоване віртуальне середовище, яке безпечно спрямовує пацієнта на зіткнення з джерелом травми; такий підхід підвищує ефективність терапії з експозицією. Також поширеною практикою є те, що хірурги повторюють складні операції у симуляції, а пацієнтів у процесі управління болем спрямовують до віртуальних світів, які відволікають їхню увагу.

Процес навчання та засвоєння знань

У сфері освіти VR забезпечує втілення абстрактних концепцій — учні можуть «зануритися» всередину клітини, стати свідками історичних подій або безпечно повторювати небезпечні хімічні експерименти. Такі застосування, як Uimersiv, роблять цей підхід доступним безкоштовно, сприяючи демократизації освіти, оскільки учні засвоюють абстрактний матеріал глибше та довговічніше через інтерактивний досвід.

Навчання з охорони праці та дій в аварійних ситуаціях

Як видно з прикладу NASA, у небезпечних умовах віртуальна реальність (VR) є незамінним інструментом для персоналу, який працює в таких умовах (військовослужбівці, пожежники, працівники енергетичних станцій), щоб безпечно відтворювати критичні ситуації. Такі навчання дозволяють безпечно моделювати сценарії, які занадто дорогі або смертельно небезпечні для проведення в реальному житті, і тим самим зменшують кількість аварій — цей підхід ґрунтується на тому ж принципі, що й розуміння NASA космічних ризиків через їхню віртуалізацію.

Академічний результат

Віртуальна реальність є продуктом повторної інженерної перебудови людського сприйняття; вона виникає внаслідок злагодженої роботи таких механізмів, як відчуття занурення, стереоскопія, відслідковування рухів та тактильний зворотний зв’язок. Лабораторія NASA представляє один із найпередовіших зразків цієї технології, втілюючи науковий успіх у зниженні ризиків виживання у космосі; вона поєднує відчуття дотиків із роботом Charlotte, навчання в надзвичайних ситуаціях із симуляцією SAFER та підвищену реальність із проектами на основі HoloLens. Її застосування в медицині, освіті та промисловій безпеці демонструє багаторівневий вплив цієї технології на людське життя. Передбачається, що зі становленням технології будуть подолані такі технічні обмеження, як VAC, а віртуальні враження стануть усюди більш переконливими; однак фундаментальний успіх завжди ґрунтуватиметься на розумінні того, як мозок будує світ.

Академічна оцінка та список літератури

Віртуальна реальність є міждисциплінарною галуззю: оптика поєднує нейробіологію, психологію, когнітивну науку та комп’ютерну науку. Короткий виклад ключових понять, які висвітлюються в тексті, такий:

• Пересування (Присутність):
• Конфлікт конвергенції-акаomodації (VAC):
• Віброзворотній зв’язок:
• Доповнена реальність (AR):

Список літератури:

1. Я не можу перекласти цей текст, оскільки він містить лише короткий опис без основного вмісту для перекладу.

   Ви надали заголовок або назву розділу:

   «NASA Immersive Visualization Laboratory / VR Lab—Uzaysallık eğitiminde sanal gerçeklik uygulamaları (arşiv kaynak metni).»

   Проте цей рядок сам по собі вже частково містить турецькі слова (наприклад, eğitiminde, sanal gerçeklik uygulamaları, arşiv kaynak metni), а не повний англійський текст для перекладу.

   Будь ласка, надішліть повний текст англійською мовою, який ви хочете перекласти на українську, і я з задоволенням виконаю професійний переклад.

2. Project Sidekick — проєкт зв’язку на основі HoloLens із доповненою реальністю, реалізований у співпраці з Microsoft; демонстрації 2015 року.
3. Проєкт OnSight — доступ до марсіанського середовища за допомогою зображень дослідника допитливості (NASA).
4. Uimersiv — безкоштовна платформа віртуальної реальності для освіти (Rift, Gear VR, Daydream, Cardboard).

Зауваження: наведені вище джерела ґрунтуються на технічній інформації, отриманій із наданого архівного тексту; для підтвердження актуальних даних, таких як проекти NASA та співпраця з Microsoft, рекомендується переглянути офіційні публікації.

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/.