En augmented reality-vurdering designet til at teste astronautens tilpasning til tyngdekraftsændringer

Når de skifter fra et rumfartøjs mikrotyngdekraft til det tyngdekraftrige miljø på månen eller Mars, oplever astronauter underskud i perceptuelle og motoriske funktioner. Det vestibulære system i det indre øre, som registrerer hovedets position og bevægelse, skal justeres for at genfortolke nye tyngdekraftstegn.

Et team ledet af University of Michigan, inklusive forskere fra University of Colorado Boulder's Bioastronautics Lab og NASA's Neuroscience Lab ved Johnson Space Center, udviklede en multidirektional tappeopgave administreret i augmented reality (AR) for at opdage sensorimotoriske svækkelser svarende til dem, der blev observeret hos astronauter efter rumflyvning.

Resultaterne, offentliggjort i Aerospace Medicine and Human Performance , kunne understøtte beslutninger om missionsoperationer ved at fastslå, hvornår astronauter er i stand til at udføre opgaver, der kræver fuld koordinering, såsom at styre køretøjer eller betjene andre komplekse systemer.

Feltforsøg for at vurdere sansemotorisk svækkelse er tidligere blevet udført ved tilbagevenden af ​​besætningsmedlemmer på den internationale rumstation til Jorden. De fleste af besætningen genvandt fuldt ud evnen til at udføre vestibulære koordinationstests inden for to til fire dage efter landing. Besætningsmedlemmer modtog dog intensiv behandling fra styrke-, konditions- og rehabiliteringsspecialister under deres helbredelse.

Når astronauter foretager tyngdekraftovergange til destinationer uden for Jorden, vil astronauter have brug for en metode til at teste restitution inden for deres rumfartøjs begrænsede plads uden hjælp fra eksperter.

"Rummet er virkelig en type telesundhed, hvor vi skal træffe beslutninger uden eksperterne til stede. Værktøjer til at understøtte beslutningstagningen kan gøre fremtidige rummissioner mere effektive og hjælpe med at mindske risici," sagde Leia Stirling, medforfatter på avisen og en lektor i industri- og driftsteknik og robotteknologi ved University of Michigan.

Forskerholdet udviklede en hånd-øje-koordinationsopgave, set gennem AR-briller, som en letvægts- og pladsbevidst løsning. Dette format muliggør hånd- og øjensporing, mens det giver brugerne mulighed for at se deres fysiske omgivelser sammen med computergenereret perceptuel information.

AR letter udviklingen af ​​skræddersyede vurderinger, tilpasser funktionelle opgaver til at opfylde missionskrav eller individuelle besætningsbehov. Ved at udnytte indlejrede sensorer sporer og analyserer disse AR-baserede evalueringer astronauters hånd-øje-koordination, hovedkinematik og opgavespecifikke præstationsmålinger, hvilket giver værdifuld indsigt i deres sansemotoriske evner.

"Data fra AR-baserede evalueringer muliggør målrettet feedback og skabelsen af ​​personlige rehabiliteringsprogrammer eller modforanstaltninger," sagde Hannah Weiss, medforfatter af papiret og doktorgraduat fra University of Michigan.

Hånd-øje-koordinationsopgaven indeholder 16 mål – tilpasset fra en etableret standard for interaktion mellem mennesker og computere – holografisk projiceret i brugerens fysiske rum og arrangeret i et cirkulært array med lige stor afstand. Målet er at trykke på målene så hurtigt og præcist som muligt i en forudbestemt rækkefølge.

For at teste virkningen af ​​vestibulær forstyrrelse på denne opgave, anvendte forskerne elektrisk stimulation på undersøgelsesdeltagernes mastoidprocesser lige bag øret for at forstyrre deres bevægelsesfornemmelse. Baseret på deltagernes svajende bevægelse, simulerede den resulterende vestibulære svækkelse den vestibulære desorientering, som astronauter ville opleve en til fire timer efter flyvningen.

Både hastigheden og nøjagtigheden af ​​at banke på mål faldt efter vestibulær stimulering, hvilket indikerer, at denne type funktionsnedsættelse kan hindre et mandskabs evne til at opnå kendte målplaceringer, mens de er i en statisk stående stilling. Hovedets lineære accelerationer steg også, hvilket indikerer, at forsøget på at holde balancen forstyrrede deres ydeevne.

Fremtidige forskningsindsatser vil udforske balance- og mobilitetsopgaver for at supplere denne hånd-øje-koordinationsvurdering for at give et klarere billede af en astronauts tilpasning til lokal tyngdekraft. Før implementering vil det også være nødvendigt at fastlægge beredskabstærskler for at vejlede beslutninger. Weiss, nu Human Factors Research Engineer ved NASA Johnson Space Center, udvider dette arbejde til at understøtte astronauttestning.

"Vi vil teste denne opgave i mikrotyngdekraft gennem et program hos Aurelia Aerospace, der gør det muligt for studerende at udføre studier i simuleret mikrotyngdekraft ved hjælp af parabolflyvning," sagde Sitrling.

"Sensorimotoriske udfordringer udgør store risici for besætningsmedlemmer, og vi arbejder på at bruge elektrisk vestibulær stimulation til at træne astronauter til at operere i disse svækkede tilstande forud for rumflyvning for at forbedre deres resultater," sagde Aaron Allred, førsteforfatter på papiret og en ph.d. i bioastronautik ved University of Colorado Boulder.

"Her på Jorden kan de vurderinger og svækkelsesparadigmer, vi er ved at udvikle, informere telehealth patientpleje, såsom for dem, der oplever vestibulært tab med alderen," tilføjede Allred.

Flere oplysninger: Aaron R. Allred et al., An Augmented Reality Hand-Eye Sensorimotor Impairment Assessment for Spaceflight Operations, Aerospace Medicine and Human Performance (2024). DOI:10.3357/AMHP.6313.2024

Leveret af University of Michigan College of Engineering