Eine Augmented-Reality-Bewertung, mit der die Anpassung von Astronauten an Schwerkraftänderungen getestet werden soll

Beim Übergang von der Mikrogravitation eines Raumfahrzeugs in die schwerkraftreiche Umgebung des Mondes oder Mars kommt es bei Astronauten zu Defiziten in der Wahrnehmung und motorischen Funktionen. Das Vestibularsystem im Innenohr, das die Position und Bewegung des Kopfes erkennt, muss sich anpassen, um neue Schwerkraftsignale neu zu interpretieren.

Ein von der University of Michigan geleitetes Team, zu dem auch Forscher des Bioastronautics Lab der University of Colorado Boulder und des Neuroscience Lab der NASA am Johnson Space Center gehörten, entwickelte eine multidirektionale Klopfaufgabe, die in Augmented Reality (AR) verwaltet wird, um sensomotorische Beeinträchtigungen zu erkennen, die denen ähneln, die danach bei Astronauten beobachtet wurden Weltraumflug.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Luft- und Raumfahrtmedizin und menschliche Leistungsfähigkeitkönnte Entscheidungen zum Missionsbetrieb unterstützen, indem es festlegt, wann Astronauten in der Lage sind, Aufgaben auszuführen, die eine vollständige Koordination erfordern, wie etwa das Steuern von Fahrzeugen oder den Betrieb anderer komplexer Systeme.

Nach der Rückkehr von Besatzungsmitgliedern der Internationalen Raumstation zur Erde wurden bereits Feldtests zur Beurteilung sensomotorischer Beeinträchtigungen durchgeführt. Der Großteil der Besatzung erlangte innerhalb von zwei bis vier Tagen nach der Landung die Fähigkeit zur Durchführung von Vestibularkoordinationstests vollständig wieder. Allerdings erhielten die Besatzungsmitglieder während ihrer Genesung eine intensive Behandlung durch Kraft-, Konditions- und Rehabilitationsspezialisten.

Bei Schwerkraftübergängen zu Zielen außerhalb der Erde benötigen Astronauten eine Methode, um die Wiederherstellung innerhalb des begrenzten Raums ihres Raumfahrzeugs ohne die Hilfe von Experten zu testen.

„Der Weltraum ist eigentlich eine Art Telemedizin, bei der wir Entscheidungen ohne die Anwesenheit von Experten treffen müssen. Tools zur Unterstützung dieser Entscheidungsfindung können zukünftige Weltraummissionen effizienter machen und dazu beitragen, Risiken zu verringern“, sagte Leia Stirling, Co-Autorin des Papiers und außerordentlicher Professor für Industrie- und Betriebstechnik und Robotik an der University of Michigan.

Das Forschungsteam entwickelte eine Hand-Auge-Koordinationsaufgabe, die durch eine AR-Brille betrachtet wird, als leichte und platzsparende Lösung. Dieses Format ermöglicht Hand- und Augenverfolgung und ermöglicht es Benutzern gleichzeitig, ihre physische Umgebung zusammen mit computergenerierten Wahrnehmungsinformationen zu betrachten.

AR erleichtert die Entwicklung maßgeschneiderter Bewertungen und passt funktionale Aufgaben an die Missionsanforderungen oder die individuellen Bedürfnisse der Besatzung an. Mithilfe eingebetteter Sensoren verfolgen und analysieren diese AR-basierten Auswertungen die Hand-Auge-Koordination, die Kopfkinematik und aufgabenspezifische Leistungsmetriken der Astronauten und bieten wertvolle Einblicke in ihre sensomotorischen Fähigkeiten.

„Daten aus AR-basierten Auswertungen ermöglichen gezieltes Feedback und die Erstellung personalisierter Rehabilitationsprogramme oder Gegenmaßnahmen“, sagte Hannah Weiss, Co-Autorin der Arbeit und Doktorandin der University of Michigan.

Die Hand-Auge-Koordinationsaufgabe besteht aus 16 Zielen – angelehnt an einen etablierten Mensch-Computer-Interaktionsstandard –, die holographisch in den physischen Raum des Benutzers projiziert und in einer kreisförmigen Anordnung mit gleichem Abstand angeordnet werden. Ziel ist es, die Ziele möglichst schnell und genau in einer vorgegebenen Reihenfolge anzugreifen.

Um den Einfluss einer Vestibularstörung auf diese Aufgabe zu testen, setzten die Forscher elektrische Stimulation auf die Mastoidfortsätze der Studienteilnehmer direkt hinter dem Ohr ein, um deren Bewegungsgefühl zu stören. Basierend auf der schwankenden Bewegung der Teilnehmer simulierte die daraus resultierende Vestibularstörung die vestibuläre Desorientierung, die Astronauten ein bis vier Stunden nach dem Flug erleben würden.

Sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit beim Tippen auf Ziele nahmen nach der Vestibularstimulation ab, was darauf hindeutet, dass diese Art von Beeinträchtigung die Fähigkeit einer Besatzung beeinträchtigen kann, bekannte Zielpositionen in einer statischen Standhaltung zu erfassen. Auch die linearen Beschleunigungen des Kopfes nahmen zu, was darauf hindeutet, dass der Versuch, das Gleichgewicht zu halten, ihre Leistung beeinträchtigte.

Zukünftige Forschungsbemühungen werden Gleichgewichts- und Mobilitätsaufgaben untersuchen, um diese Hand-Auge-Koordinationsbewertung zu ergänzen und ein klareres Bild der Anpassung eines Astronauten an die lokale Schwerkraft zu liefern. Vor dem Einsatz müssen außerdem Bereitschaftsschwellenwerte ermittelt werden, um Entscheidungen zu treffen. Weiss, jetzt Human Factors Research Engineer am Johnson Space Center der NASA, weitet diese Arbeit aus, um Astronautentests zu unterstützen.

„Wir werden diese Aufgabe in der Mikrogravitation im Rahmen eines Programms bei Aurelia Aerospace testen, das es Studenten ermöglicht, Studien in simulierter Mikrogravitation mittels Parabelflug durchzuführen“, sagte Sitrling.

„Sensomotorische Herausforderungen stellen große Risiken für Besatzungsmitglieder dar, und wir arbeiten daran, Astronauten mithilfe der elektrischen Vestibularstimulation vor dem Weltraumflug darin zu schulen, in diesen beeinträchtigten Zuständen zu agieren, um ihre Ergebnisse zu verbessern“, sagte Aaron Allred, Erstautor der Arbeit und Doktorand für Bioastronautik an der University of Colorado Boulder.

„Hier auf der Erde könnten die Beurteilungen und Beeinträchtigungsparadigmen, die wir entwickeln, die telemedizinische Patientenversorgung beeinflussen, beispielsweise für diejenigen, bei denen mit zunehmendem Alter ein Gleichgewichtsverlust auftritt“, fügte Allred hinzu.