通過沉浸式模擬，宇航員可以完善他們在太空行走中將要執(zhí)行的每一個動作確保宇航員比以往任何時候都更好地為前往國際空間站、月球乃至更遠地方的任務(wù)做好準(zhǔn)備。

VR/XR 在宇航員訓(xùn)練中的益處：

• 提高安全性： 可以在無風(fēng)險的環(huán)境中練習(xí)復(fù)雜或危險的操作程序。
• 節(jié)省成本和資源：減少了對實體模型、物流需求和人員配置的需求。
• 靈活且可擴展： 可以輕松適應(yīng)各種不同的訓(xùn)練場景。
• 增加重復(fù)練習(xí)機會： 讓宇航員能夠反復(fù)練習(xí)，直至操作變得如同本能反應(yīng)。
• 提高時間效率： 縮短了整體訓(xùn)練時間并降低了日程安排的壓力。
• 增強沉浸感和參與度： 提供更具現(xiàn)實感和激勵性的訓(xùn)練體驗。
• 提升空間定向能力： 改善在微重力環(huán)境中的心理空間定位能力。

太空行走，虛擬訓(xùn)練

執(zhí)行載人太空任務(wù)需要多年的準(zhǔn)備和數(shù)百小時復(fù)雜的訓(xùn)練模擬。任務(wù)的成功依賴于無懈可擊的執(zhí)行，容不得任何失誤。

與PaleBlue合作的零重力實驗

這就是為什么歐洲航天局（ESA）位于德國科隆的歐洲宇航員中心一直在不斷尋找新的、創(chuàng)新的方法來提升宇航員的訓(xùn)練水平。

該中心專注于擴展現(xiàn)實（XR）、人工智能、量子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)與機器人技術(shù)的團隊，為ESA的宇航員開發(fā)先進的可視化工具、交互式訓(xùn)練模塊和逼真的模擬場景。他們的主要目標(biāo)是創(chuàng)建高度沉浸式和富有吸引力的訓(xùn)練體驗，以補充傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法。

為了確保訓(xùn)練的最大準(zhǔn)確性和有效性，XR實驗室團隊在整個開發(fā)過程中與宇航員訓(xùn)練師和教員密切合作。這種緊密的合作關(guān)系確保每個沉浸式訓(xùn)練場景都能準(zhǔn)確反映宇航員在實際任務(wù)中將遇到的真實條件。

宇航員太空行走，為什么它如此復(fù)雜

當(dāng)宇航員為艙外活動（EVA，即太空行走）做準(zhǔn)備時，每一個步驟和動作都要經(jīng)過數(shù)千次的練習(xí)。這種訓(xùn)練資源密集、成本高昂且耗時，因為它嚴重依賴于在美國國家航空航天局（NASA）中性浮力實驗室進行的大量物理練習(xí)。

位于休斯敦的這個大型水池設(shè)施內(nèi)有國際空間站（ISS）的詳細水下模型。宇航員們成對在那里訓(xùn)練，穿著經(jīng)過配重的專用宇航服，以確保他們既不會向上漂浮，也不會沉到水底。

這些訓(xùn)練環(huán)節(jié)至關(guān)重要，因為太空行走通常極其復(fù)雜：它們通常持續(xù)六到十個小時，涉及專用工具，并要求宇航員從氣閘艙導(dǎo)航到工作地點的復(fù)雜路徑。

傳統(tǒng)的水池訓(xùn)練存在固有的局限性。由于水的阻力、視覺提示的改變以及殘留的重力感等因素，水下模擬與真實太空條件存在差異。此外，設(shè)置這些訓(xùn)練環(huán)節(jié)需要采取廣泛的安全措施、安排支持人員的日程安排以及大量的準(zhǔn)備時間。

水下中性浮力訓(xùn)練

宇航員的一小步虛擬訓(xùn)練，訓(xùn)練領(lǐng)域的一大步

認識到這些局限性，歐洲航天局（ESA）正在開發(fā)基于頭戴設(shè)備的虛擬現(xiàn)實（VR）/擴展現(xiàn)實（XR）模擬，專門用于補充現(xiàn)有的訓(xùn)練方法，例如中性浮力水池訓(xùn)練。借助虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實技術(shù)，宇航員可以體驗到真正的失重狀態(tài)，反復(fù)練習(xí)精確的動作，并比傳統(tǒng)方法更有效地可視化復(fù)雜環(huán)境。

通過引入靈活且易于獲取的虛擬環(huán)境這一新型訓(xùn)練方式，宇航員可以在地面準(zhǔn)備期間緩解緊張的日程壓力，因為他們在地球上的訓(xùn)練日通常漫長且充滿挑戰(zhàn)。

“鑒于這些復(fù)雜性，有機會通過虛擬現(xiàn)實模擬來補充物理訓(xùn)練是非常有益的。虛擬現(xiàn)實提供了一個額外的練習(xí)層次，讓宇航員能夠進一步完善他們的操作程序。”歐洲航天局觸覺與XR工程師安德烈亞斯·特雷爾（Andreas Treuer）表示。

此外，VR/XR還可以模擬那些通過傳統(tǒng)方法幾乎不可能或不切實際重現(xiàn)的場景。例如，宇航員首次打開氣閘艙門，看到地球就在腳下，中間只有空蕩蕩的空間——這種體驗在他們的首次太空行走中可能會令人不知所措。然而，通過提前在虛擬現(xiàn)實中體驗這一場景，宇航員能夠熟悉這種情感和感官上的強烈沖擊，而這是水下模擬無法充分復(fù)制的。

國際空間站虛擬訓(xùn)練機械臂

沉浸式技術(shù)在機器人訓(xùn)練方面也具有顯著優(yōu)勢。在歐洲航天局的混合現(xiàn)實機器人訓(xùn)練解決方案JIVE中，宇航員可以虛擬練習(xí)操作和操縱國際空間站18米長的機械臂，由于巨大的基礎(chǔ)設(shè)施需求、安全風(fēng)險和復(fù)雜的后勤保障，這一場景在地球上幾乎無法通過物理方式復(fù)制。通過戴上Varjo設(shè)備訪問虛擬模型，受訓(xùn)者可以以正確的比例和視角真實且安全地學(xué)習(xí)機械臂的操作。

國際空間站的Canadarm2機械臂

“我們開發(fā)虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練的主要目標(biāo)是為宇航員提供一個實用的工具，讓他們可以在安全的環(huán)境中練習(xí)程序，犯錯誤而無需承擔(dān)后果，并根據(jù)需要多次重復(fù)練習(xí)，直到他們在真實環(huán)境中執(zhí)行這些任務(wù)?！睔W洲航天局XR軟件工程師弗洛里安·薩林（Florian Saling）表示。

這種訓(xùn)練方法的效果已經(jīng)顯現(xiàn)。歐洲航天局的XR實驗室估計，大約一半原本通過傳統(tǒng)方法進行的機器人訓(xùn)練現(xiàn)在可以通過XR模擬有效替代。這使得機器人操作的訓(xùn)練時間總體減少了約50%，同時沒有對表現(xiàn)產(chǎn)生負面影響，并保持了宇航員相同的高技能水平。歐洲航天局還與美國國家航空航天局（NASA）共享了這種訓(xùn)練軟件。

“我們的最終目標(biāo)是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)推廣到每一個能夠有效支持宇航員活動的領(lǐng)域?！?/span>弗洛里安·薩林（Florian Saling）

—————歐洲航天局XR軟件工程師

虛擬修復(fù)國際空間站

除了機器人訓(xùn)練，歐洲航天局還使用多種關(guān)鍵軟件應(yīng)用程序來提供沉浸式的宇航員訓(xùn)練體驗。其中之一是LUNA XR，這是一個大規(guī)模的模擬器和虛擬現(xiàn)實探索工具，能夠以高細節(jié)度重現(xiàn)月球景觀。

通過LUNA XR，受訓(xùn)者可以與各種元素互動，甚至可以通過投擲方塊并觀察物體在低重力環(huán)境中的行為，親身體驗月球重力。

另一個重要工具是艙外活動（EVA）太空行走訓(xùn)練工具，它提供了宇航員在執(zhí)行太空行走任務(wù)時處理的不同部件的高細節(jié)虛擬現(xiàn)實可視化。這些模擬使受訓(xùn)者能夠熟悉國際空間站的內(nèi)外部環(huán)境。他們可以探索空間站的外部，以準(zhǔn)確了解在太空行走期間將要執(zhí)行任務(wù)的具體位置。

在空間站內(nèi)部，受訓(xùn)者可以研究內(nèi)部系統(tǒng)的詳細布局，包括技術(shù)機架、氣閘艙以及滅火器等應(yīng)急設(shè)備的位置。訓(xùn)練軟件甚至允許宇航員練習(xí)復(fù)雜的維護程序，例如更換氧氣傳感器或去離子化單元——這些是他們最終必須在空間站上執(zhí)行的任務(wù)。

真正讓宇航員接受的訓(xùn)練方式

歐洲航天局的XR實驗室根據(jù)每位宇航員的個人訓(xùn)練目標(biāo)定制沉浸式訓(xùn)練場景。使用歐洲航天局的VR/XR解決方案進行訓(xùn)練的宇航員通常會給出熱情的反饋，強調(diào)這些沉浸式體驗很好地補充了傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法。

VR/XR訓(xùn)練為他們提供了練習(xí)太空探索中標(biāo)志性和令人興奮的方面，比如執(zhí)行太空行走或控制機械臂。這些任務(wù)自然會激發(fā)他們的興趣并激勵他們。歐洲航天局的XR團隊指出：“宇航員們非常喜歡使用這些VR應(yīng)用程序。它更具吸引力，與他們通常經(jīng)歷的其他訓(xùn)練類型完全不同?！盩reuer補充道。

根據(jù)歐洲航天局XR團隊的說法，宇航員們能夠多次重復(fù)練習(xí)程序的機會，這使他們能夠?qū)⒚恳粋€動作牢記于心，直至成為本能反應(yīng)。特雷爾表示：“這種精確的重復(fù)練習(xí)在其他訓(xùn)練方法中并不總是可能實現(xiàn)的?！?/span>

VR/XR在太空任務(wù)中的角色

歐洲航天局不僅在傳統(tǒng)的宇航員訓(xùn)練中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實技術(shù)，還在產(chǎn)品設(shè)計的初期階段利用這些技術(shù)來測試太空設(shè)備界面，并在開發(fā)早期識別出人體工程學(xué)或?qū)嶋H問題。他們還在建筑應(yīng)用中使用了沉浸式技術(shù)：

VR幫助項目經(jīng)理在建設(shè)之前就可視化并優(yōu)化歐洲航天局新月球模擬設(shè)施的布局，從而提前改進設(shè)計。

展望未來，歐洲航天局的XR實驗室正在探索VR/XR在許多新的操作用途中的應(yīng)用。他們目前專注于將混合現(xiàn)實能力整合到月球模擬中，使宇航員訓(xùn)練中的月球景觀更加沉浸式。歐洲航天局還計劃將VR/XR應(yīng)用擴展到操作環(huán)境中，包括支持地面控制人員監(jiān)督和與國際空間站通信的工具。

VR技術(shù)還有潛力支持宇航員在長期太空任務(wù)中的心理健康：基于頭戴設(shè)備的沉浸式體驗可以讓他們從狹小的環(huán)境中解脫出來，提供放松、娛樂甚至治療性用途。

“我們的最終目標(biāo)是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)推廣到每一個能夠有效支持宇航員活動的領(lǐng)域?！?/span>Saling表示。

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