Bij het overschakelen van de microzwaartekracht van een ruimtevaartuig naar de zwaartekrachtrijke omgeving van de maan of Mars ervaren astronauten tekorten in perceptuele en motorische functies. Het vestibulaire systeem in het binnenoor, dat de positie en beweging van het hoofd detecteert, moet zich aanpassen om nieuwe signalen van de zwaartekracht opnieuw te interpreteren.

Een team onder leiding van de Universiteit van Michigan, waaronder onderzoekers van het Bioastronautics Lab van de Universiteit van Colorado Boulder en het Neuroscience Lab van NASA in het Johnson Space Center, heeft een multidirectionele tiktaak ontwikkeld die wordt uitgevoerd in augmented reality (AR) om sensomotorische stoornissen te detecteren die vergelijkbaar zijn met die waargenomen bij astronauten na ruimtevlucht.

De resultaten zijn gepubliceerd in Aerospace Medicine and Human Performance , zou beslissingen over missieoperaties kunnen ondersteunen door vast te stellen wanneer astronauten taken kunnen uitvoeren die volledige coördinatie vereisen, zoals het besturen van voertuigen of het bedienen van andere complexe systemen.

Veldtesten om sensomotorische stoornissen te beoordelen zijn eerder uitgevoerd bij de terugkeer van bemanningsleden van het International Space Station naar de aarde. Het grootste deel van de bemanning herstelde volledig het vermogen om binnen twee tot vier dagen na de landing vestibulaire coördinatietests uit te voeren. De bemanningsleden kregen tijdens hun herstel echter een intensieve behandeling van kracht-, conditie- en revalidatiespecialisten.

Bij het maken van zwaartekrachtovergangen naar bestemmingen buiten de aarde zullen astronauten een methode nodig hebben om het herstel binnen de beperkte ruimte van hun ruimtevaartuig te testen, zonder de hulp van experts.

“De ruimtevaart is eigenlijk een soort telezorg waarbij we beslissingen moeten nemen zonder dat de aanwezige experts aanwezig zijn. Hulpmiddelen ter ondersteuning van die besluitvorming kunnen toekomstige ruimtemissies efficiënter maken en de risico’s helpen verminderen”, zegt Leia Stirling, co-auteur van het artikel en een universitair hoofddocent industriële en operationele engineering en robotica aan de Universiteit van Michigan.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een hand-oogcoördinatietaak, bekeken door een AR-bril, als een lichtgewicht en ruimtebewuste oplossing. Dit formaat maakt hand- en oogtracking mogelijk, terwijl gebruikers hun fysieke omgeving kunnen bekijken samen met door de computer gegenereerde perceptuele informatie.

AR vergemakkelijkt de ontwikkeling van op maat gemaakte beoordelingen, waarbij functionele taken worden aangepast aan de missievereisten of aan de individuele behoeften van de bemanning. Door gebruik te maken van ingebouwde sensoren volgen en analyseren deze AR-gebaseerde evaluaties de hand-oogcoördinatie, de hoofdkinematica en taakspecifieke prestatiestatistieken van astronauten, waardoor waardevolle inzichten worden geboden in hun sensomotorische capaciteiten.

"Gegevens uit AR-gebaseerde evaluaties maken gerichte feedback en het creëren van gepersonaliseerde rehabilitatieprogramma's of tegenmaatregelen mogelijk", zegt Hannah Weiss, co-auteur van het artikel en doctoraal afgestudeerd aan de Universiteit van Michigan.

De hand-oogcoördinatietaak bestaat uit 16 doelen – aangepast aan een gevestigde standaard voor mens-computerinteractie – holografisch geprojecteerd in de fysieke ruimte van de gebruiker en gerangschikt in een cirkelvormige reeks op gelijke afstanden. Het doel is om de doelen zo snel en nauwkeurig mogelijk in een vooraf bepaalde volgorde te tikken.

Om de impact van vestibulaire verstoring op deze taak te testen, pasten de onderzoekers elektrische stimulatie toe op de mastoïde processen van de studiedeelnemers, net achter het oor, om hun bewegingsgevoel te verstoren. Gebaseerd op de zwaaiende beweging van de deelnemers, simuleerde de resulterende vestibulaire stoornis de vestibulaire desoriëntatie die astronauten één tot vier uur na de vlucht zouden ervaren.

Zowel de snelheid als de nauwkeurigheid van het tikken op doelen namen af ​​na vestibulaire stimulatie, wat erop wijst dat dit soort stoornissen het vermogen van een bemanning kan belemmeren om bekende doellocaties te verwerven terwijl ze zich in een statische staande houding bevinden. De lineaire versnellingen van het hoofd namen ook toe, wat aangeeft dat de poging om het evenwicht te bewaren hun prestaties belemmerde.

Toekomstige onderzoeksinspanningen zullen evenwichts- en mobiliteitstaken onderzoeken als aanvulling op deze hand-oogcoördinatiebeoordeling om een ​​duidelijker beeld te geven van de aanpassing van een astronaut aan de lokale zwaartekracht. Vóór de implementatie zal het ook nodig zijn om gereedheidsdrempels te bepalen als leidraad voor beslissingen. Weiss, nu Human Factors Research Engineer bij NASA Johnson Space Center, breidt dit werk uit om het testen van astronauten te ondersteunen.

"We zullen deze taak testen in microzwaartekracht via een programma bij Aurelia Aerospace waarmee studenten studies kunnen uitvoeren in gesimuleerde microzwaartekracht met behulp van parabolische vluchten", aldus Sitrling.

"Sensorimotorische uitdagingen vormen grote risico's voor bemanningsleden, en we werken eraan om elektrische vestibulaire stimulatie te gebruiken om astronauten te trainen om in deze verstoorde toestanden te opereren voorafgaand aan een ruimtevlucht, om hun resultaten te verbeteren", zegt Aaron Allred, eerste auteur van het artikel en promovendus. of Bioastronautica aan de Universiteit van Colorado Boulder.

"Hier op aarde zouden de beoordelingen en stoornissenparadigma's die we ontwikkelen, informatie kunnen opleveren voor de patiëntenzorg op afstand, bijvoorbeeld voor degenen die met het ouder worden vestibulair verlies ervaren", voegde Allred eraan toe.

Meer informatie: Aaron R. Allred et al, Een Augmented Reality Hand-Eye Sensorimotor Impairment Assessment voor ruimtevluchtoperaties, Lucht- en ruimtevaartgeneeskunde en menselijke prestaties (2024). DOI:10.3357/AMHP.6313.2024

Aangeboden door University of Michigan College of Engineering