Специализированные программы обучения, в которых используются устройства для улучшения сенсорных ощущений, могут предотвратить дезориентацию астронавтов в космосе.

Массачусетс: При приземлении на крышу луна, Астронавты Они могут потерять ориентацию в пространстве, то есть потерять чувство направления – и не смогут определить, в какую сторону идти вверх. Эта путаница может привести к несчастным случаям со смертельным исходом.
Даже на земле в период с 1993 по 2013 год пространственная дезориентация привела к потере 65 самолетов, ущербу на сумму 2,32 миллиарда долларов и 101 гибели в Соединенных Штатах.
Могут ли носимые технологии улучшить чувства космонавтов и позволить им преодолеть свои ограничения? Биологические датчики? Какой вид обучения может создать более глубокую связь между астронавтом и носимыми технологиями, чтобы астронавты могли полагаться на технологии, когда они не могут доверять своим чувствам?
Я научный сотрудник Лаборатории пространственной ориентации Эштона Грейбила в Университете Брандейса. Вместе со своими коллегами Александром Панеком, Джеймсом Лакнером и Полом Дезио я изучаю развитие сенсорного развития и пространственную дезориентацию, когда астронавты и пилоты теряют представление о том, в каком направлении они движутся.
В исследовании, опубликованном в ноябре 2023 года в журнале Frontiers in Physiology, мы определили, могут ли вибраторы — небольшие вибрирующие устройства, размещаемые на коже, — повысить производительность участников, которые были помещены в дезориентирующую ситуацию, имитирующую космический полет. Мы также рассмотрели, какой тип обучения может улучшить общение человека и машины.
Вибраторы передают информацию через сенсорные рецепторы соматосенсорной системы, а не зрительной системы. Ранее они помогали пилотам управлять вертолетами и самолетами.
Когда пилоты дезориентированы, их зрительная система часто перегружена информацией. Вибраторы могут помочь, поскольку они посылают тактильные сигналы, а не визуальные.
Создать аналог космического полета
В нашем первом эксперименте мы хотели посмотреть, улучшит ли использование вибраторов способность участников стабилизироваться в неловкой ситуации космического полета.
Мы прикрепили участников к многоосному гироскопу — машине со стулом, который был запрограммирован на поведение перевернутого маятника. Подобно карандашу, который падает влево или вправо, когда вы пытаетесь удержать его на кончике пальца, многоосный гироскоп наклоняется влево или вправо. Участники использовали джойстик, чтобы попытаться сбалансировать себя и удержать стул в вертикальном положении.
Мы завязали участникам глаза, поскольку пространственная дезориентация часто возникает, когда пилоты не видят — например, при полете ночью или сквозь облака.
На Земле небольшие органы внутреннего уха, называемые отолитами, помогают людям сохранять равновесие, определяя, насколько сильно тело отклоняется от вертикального положения, что также называется вертикальной гравитацией. в космос Особенно во время гравитационных сдвигов, например, при посадке на планету или Луну, гравитационная информация, обнаруживаемая отолитами, сильно отличается от земной. Это может вызвать путаницу.
Кроме того, длительный космический полет изменит то, как мозг интерпретирует сигналы ототолитов. Это также может привести к путанице при приземлении.
В аналоговом земном состоянии, которое должно было служить контролем для сравнения с условиями космического полета, которые мы тестировали, участники сидели в многоосном гироскопе и использовали джойстик для стабилизации вокруг точки равновесия. Точка баланса находилась в вертикальном положении или в перпендикулярном гравитационном положении.
Поскольку отолиты могут чувствовать наклон вертикальной линии гравитации, участники всегда хорошо чувствовали свою ориентацию и расположение точки равновесия. Мы назвали это состояние «аналоговым состоянием Земли», потому что для выполнения этой работы они могут использовать гравитационные сигналы. Каждый участник усвоил это и со временем улучшил свои результаты.
Затем, в аналоговом режиме космического полета, мы попросили многоосный гироскоп оттолкнуть участников назад на 90 градусов. Точка баланса по-прежнему находилась в центре, а многоосный гироскоп был запрограммирован на наклон влево или вправо, пока участники находились на спине.
В случае с Землей точка равновесия была совмещена с вертикальным валом, поэтому для определения ее наклона было легко использовать отолиты. Однако в условиях космического полета участники уже не были наклонены относительно столба силы тяжести, поскольку всегда находились на спине. Таким образом, хотя точка баланса, которую они пытались найти, была одной и той же, они больше не могли использовать гравитацию, чтобы определить, насколько далеко они были отклонены от точки баланса.
Точно так же астронавты при первоначальном приземлении имеют минимальные гравитационные сигналы. В случае наших космических полетов участники показали очень низкую производительность и высокие показатели потери управления.
Каждому из тринадцати участников экспериментальной группы мы прикрепили к каждой руке по четыре вибратора. Чем дальше участник находится от точки равновесия, тем сильнее вибрируют вибраторы на одной стороне.
Мы обнаружили, что вибрационная обратная связь помогает при дезориентации в космическом полете. Но это также привело к ощущению несоответствия между ложным восприятием участником своей ориентации и его действительной ориентацией, на что указывали шейкеры.
Из-за этого конфликта участники космического полета выступили не так хорошо, как в земных условиях.
Удивительно, но даже зная, что они были сбиты с толку и сообщая о высоком уровне доверия к шейкерам, было недостаточно, чтобы позволить людям продолжить обучение и улучшить свои результаты. Это говорит о том, что когнитивная уверенность, или уровень уверенности, о котором они сами говорят, может отличаться от уверенности на уровне интуиции — и сама по себе когнитивная уверенность не гарантирует, что люди смогут положиться на шейкеры, когда они дезориентированы.
Построение связи между человеком и устройством
Предыдущие исследования в области сенсорной замены показали, что предоставление участникам возможности свободно исследовать устройство и играть с ним во время обучения укрепляет связь между человеком и устройством.
В нашем первом эксперименте мы предоставили участникам время изучить, как работает устройство. Мы дали им 40 минут на изучение вибрационной обратной связи в наземном состоянии за день до тестирования в условиях космического полета. Хотя это помогло участникам работать лучше, чем те, у кого не было вибраторов, их улучшения были скромными, и эти участники не показали дополнительного улучшения производительности после 40 минут пребывания в условиях космического полета.
Так почему же этого бесплатного исследования оказалось недостаточно для нашего тестового примера, но достаточно для других экспериментов? Одной из причин может быть то, что в большинстве предыдущих исследований сенсорного подкрепления обучение и тестирование проводились в одной и той же среде. Однако астронавты, скорее всего, пройдут обучение на Земле, прежде чем оказаться в космосе, где их сенсорная информация будет совсем другой.
Чтобы определить, может ли специализированное обучение привести к лучшим результатам, мы прогнали другую группу участников через программу обучения.
Участники провели первый день в напольном аналоговом режиме, где им приходилось стабилизироваться в поисках скрытых точек баланса, отличных от вертикального или гравитационного режима. Чтобы найти скрытую точку баланса, им пришлось отказаться от своего желания соответствовать статус-кво и сосредоточиться на шейкерах, которые указывают местоположение точки баланса.
Когда эта группа на второй день проходила испытания в аналоговых условиях космического полета, они показали себя намного лучше, чем группа, у которой были шейкеры, но не проходила тренировочную программу. Наши результаты показывают, что простое воздействие устройств, улучшающих сенсорные ощущения, не будет достаточным обучением астронавтов тому, чтобы полагаться на это устройство, когда они не могут полагаться на свои чувства.
Кроме того, когнитивного доверия к устройству может быть недостаточно, чтобы гарантировать доверие к нему. Вместо этого астронавтам потребуется специальная подготовка, которая потребует отключения от одного чувства и сосредоточения внимания на обратной связи от устройства.