通过沉浸式模拟，宇航员可以完善他们在太空行走中将要执行的每一个动作确保宇航员比以往任何时候都更好地为前往国际空间站、月球乃至更远地方的任务做好准备。
VR/XR 在宇航员训练中的益处：
执行载人太空任务需要多年的准备和数百小时复杂的训练模拟。任务的成功依赖于无懈可击的执行，容不得任何失误。
与PaleBlue合作的零重力实验
这就是为什么欧洲航天局（ESA）位于德国科隆的欧洲宇航员中心一直在不断寻找新的、创新的方法来提升宇航员的训练水平。
该中心专注于扩展现实（XR）、人工智能、量子技术和物联网与机器人技术的团队，为ESA的宇航员开发先进的可视化工具、交互式训练模块和逼真的模拟场景。他们的主要目标是创建高度沉浸式和富有吸引力的训练体验，以补充传统的训练方法。
为了确保训练的最大准确性和有效性，XR实验室团队在整个开发过程中与宇航员训练师和教员密切合作。这种紧密的合作关系确保每个沉浸式训练场景都能准确反映宇航员在实际任务中将遇到的真实条件。
当宇航员为舱外活动（EVA，即太空行走）做准备时，每一个步骤和动作都要经过数千次的练习。这种训练资源密集、成本高昂且耗时，因为它严重依赖于在美国国家航空航天局（NASA）中性浮力实验室进行的大量物理练习。
位于休斯敦的这个大型水池设施内有国际空间站（ISS）的详细水下模型。宇航员们成对在那里训练，穿着经过配重的专用宇航服，以确保他们既不会向上漂浮，也不会沉到水底。
这些训练环节至关重要，因为太空行走通常极其复杂：它们通常持续六到十个小时，涉及专用工具，并要求宇航员从气闸舱导航到工作地点的复杂路径。
传统的水池训练存在固有的局限性。由于水的阻力、视觉提示的改变以及残留的重力感等因素，水下模拟与真实太空条件存在差异。此外，设置这些训练环节需要采取广泛的安全措施、安排支持人员的日程安排以及大量的准备时间。
水下中性浮力训练
认识到这些局限性，欧洲航天局（ESA）正在开发基于头戴设备的虚拟现实（VR）/扩展现实（XR）模拟，专门用于补充现有的训练方法，例如中性浮力水池训练。借助虚拟现实和混合现实技术，宇航员可以体验到真正的失重状态，反复练习精确的动作，并比传统方法更有效地可视化复杂环境。
通过引入灵活且易于获取的虚拟环境这一新型训练方式，宇航员可以在地面准备期间缓解紧张的日程压力，因为他们在地球上的训练日通常漫长且充满挑战。
“鉴于这些复杂性，有机会通过虚拟现实模拟来补充物理训练是非常有益的。虚拟现实提供了一个额外的练习层次，让宇航员能够进一步完善他们的操作程序。”欧洲航天局触觉与XR工程师安德烈亚斯·特雷尔（Andreas Treuer）表示。
此外，VR/XR还可以模拟那些通过传统方法几乎不可能或不切实际重现的场景。例如，宇航员首次打开气闸舱门，看到地球就在脚下，中间只有空荡荡的空间——这种体验在他们的首次太空行走中可能会令人不知所措。然而，通过提前在虚拟现实中体验这一场景，宇航员能够熟悉这种情感和感官上的强烈冲击，而这是水下模拟无法充分复制的。
沉浸式技术在机器人训练方面也具有显著优势。在欧洲航天局的混合现实机器人训练解决方案JIVE中，宇航员可以虚拟练习操作和操纵国际空间站18米长的机械臂，由于巨大的基础设施需求、安全风险和复杂的后勤保障，这一场景在地球上几乎无法通过物理方式复制。通过戴上Varjo设备访问虚拟模型，受训者可以以正确的比例和视角真实且安全地学习机械臂的操作。
国际空间站的Canadarm2机械臂
“我们开发虚拟现实训练的主要目标是为宇航员提供一个实用的工具，让他们可以在安全的环境中练习程序，犯错误而无需承担后果，并根据需要多次重复练习，直到他们在真实环境中执行这些任务。”欧洲航天局XR软件工程师弗洛里安·萨林（Florian Saling）表示。
这种训练方法的效果已经显现。欧洲航天局的XR实验室估计，大约一半原本通过传统方法进行的机器人训练现在可以通过XR模拟有效替代。这使得机器人操作的训练时间总体减少了约50%，同时没有对表现产生负面影响，并保持了宇航员相同的高技能水平。欧洲航天局还与美国国家航空航天局（NASA）共享了这种训练软件。
“我们的最终目标是将虚拟现实技术推广到每一个能够有效支持宇航员活动的领域。”弗洛里安·萨林（Florian Saling）
—————欧洲航天局XR软件工程师
除了机器人训练，欧洲航天局还使用多种关键软件应用程序来提供沉浸式的宇航员训练体验。其中之一是LUNA XR，这是一个大规模的模拟器和虚拟现实探索工具，能够以高细节度重现月球景观。
通过LUNA XR，受训者可以与各种元素互动，甚至可以通过投掷方块并观察物体在低重力环境中的行为，亲身体验月球重力。
另一个重要工具是舱外活动（EVA）太空行走训练工具，它提供了宇航员在执行太空行走任务时处理的不同部件的高细节虚拟现实可视化。这些模拟使受训者能够熟悉国际空间站的内外部环境。他们可以探索空间站的外部，以准确了解在太空行走期间将要执行任务的具体位置。
在空间站内部，受训者可以研究内部系统的详细布局，包括技术机架、气闸舱以及灭火器等应急设备的位置。训练软件甚至允许宇航员练习复杂的维护程序，例如更换氧气传感器或去离子化单元——这些是他们最终必须在空间站上执行的任务。
欧洲航天局的XR实验室根据每位宇航员的个人训练目标定制沉浸式训练场景。使用欧洲航天局的VR/XR解决方案进行训练的宇航员通常会给出热情的反馈，强调这些沉浸式体验很好地补充了传统的训练方法。
VR/XR训练为他们提供了练习太空探索中标志性和令人兴奋的方面，比如执行太空行走或控制机械臂。这些任务自然会激发他们的兴趣并激励他们。欧洲航天局的XR团队指出：“宇航员们非常喜欢使用这些VR应用程序。它更具吸引力，与他们通常经历的其他训练类型完全不同。”Treuer补充道。
根据欧洲航天局XR团队的说法，宇航员们能够多次重复练习程序的机会，这使他们能够将每一个动作牢记于心，直至成为本能反应。特雷尔表示：“这种精确的重复练习在其他训练方法中并不总是可能实现的。”
欧洲航天局不仅在传统的宇航员训练中应用虚拟现实和混合现实技术，还在产品设计的初期阶段利用这些技术来测试太空设备界面，并在开发早期识别出人体工程学或实际问题。他们还在建筑应用中使用了沉浸式技术：
VR帮助项目经理在建设之前就可视化并优化欧洲航天局新月球模拟设施的布局，从而提前改进设计。
展望未来，欧洲航天局的XR实验室正在探索VR/XR在许多新的操作用途中的应用。他们目前专注于将混合现实能力整合到月球模拟中，使宇航员训练中的月球景观更加沉浸式。欧洲航天局还计划将VR/XR应用扩展到操作环境中，包括支持地面控制人员监督和与国际空间站通信的工具。
VR技术还有潜力支持宇航员在长期太空任务中的心理健康：基于头戴设备的沉浸式体验可以让他们从狭小的环境中解脱出来，提供放松、娱乐甚至治疗性用途。
“我们的最终目标是将虚拟现实技术推广到每一个能够有效支持宇航员活动的领域。”Saling表示。
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