När astronauter växlar från mikrogravitationen hos ett rymdskepp till månen eller Mars, månens eller Mars gravitationsrika miljö, upplever astronauter brister i perceptuella och motoriska funktioner. Det vestibulära systemet i innerörat, som känner av huvudets position och rörelse, måste anpassas för att omtolka nya gravitationssignaler.
Ett team som leds av University of Michigan, inklusive forskare från University of Colorado Boulders Bioastronautics Lab och NASA:s Neuroscience Lab vid Johnson Space Center, utvecklade en multiriktningsavlyssningsuppgift administrerad i förstärkt verklighet (AR) för att upptäcka sensorimotoriska störningar liknande de som observerats hos astronauter efter rymdfärd.
Resultaten, publicerade i Aerospace Medicine and Human Performance , skulle kunna stödja beslut om uppdragsoperationer genom att fastställa när astronauter kan utföra uppgifter som kräver full samordning, som att lotsa fordon eller använda andra komplexa system.
Fälttester för att bedöma sensorimotorisk funktionsnedsättning har tidigare utförts vid återkomsten av besättningsmedlemmar på den internationella rymdstationen till jorden. De flesta av besättningen återställde helt förmågan att utföra vestibulära koordinationstester inom två till fyra dagar efter landning. Besättningsmedlemmar fick dock intensiv behandling av styrke-, konditions- och rehabiliteringsspecialister under deras återhämtning.
När astronauter gör gravitationsövergångar till destinationer bortom jorden, kommer astronauter att behöva en metod för att testa återhämtning inom det begränsade utrymmet för sina rymdskepp utan hjälp av experter.
"Rymden är verkligen en typ av telehälsa där vi behöver fatta beslut utan att experterna är närvarande. Verktyg för att stödja beslutsfattandet kan göra framtida rymduppdrag mer effektiva och bidra till att minska riskerna", säger Leia Stirling, medförfattare på tidningen och en docent i industri- och driftsteknik och robotik vid University of Michigan.
Forskargruppen utvecklade en hand-öga-koordinationsuppgift, sedd genom AR-glasögon, som en lätt och utrymmesmedveten lösning. Detta format möjliggör hand- och ögonspårning samtidigt som användare kan se sin fysiska omgivning tillsammans med datorgenererad perceptuell information.
AR underlättar utvecklingen av skräddarsydda bedömningar, anpassning av funktionella uppgifter för att möta uppdragskrav eller individuella besättningsbehov. Med hjälp av inbyggda sensorer spårar och analyserar dessa AR-baserade utvärderingar astronauters hand-öga-koordination, huvudkinematik och uppgiftsspecifika prestandamått, vilket ger värdefulla insikter om deras sensorimotoriska kapacitet.
"Data från AR-baserade utvärderingar möjliggör riktad feedback och skapandet av personliga rehabiliteringsprogram eller motåtgärder", säger Hannah Weiss, medförfattare till uppsatsen och doktorand från University of Michigan.
Hand-öga-koordinationsuppgiften innehåller 16 mål – anpassade från en etablerad standard för interaktion mellan människa och dator – holografiskt projicerade i användarens fysiska utrymme och arrangerade i en cirkulär array på samma avstånd. Målet är att knacka på målen så snabbt och exakt som möjligt i en förutbestämd sekvens.
För att testa effekten av vestibulär störning på denna uppgift, tillämpade forskarna elektrisk stimulering på studiedeltagarnas mastoidprocesser, precis bakom örat, för att störa deras rörelsekänsla. Baserat på deltagarnas svajande rörelse, simulerade den resulterande vestibulära försämringen den vestibulära desorientering som astronauter skulle uppleva en till fyra timmar efter flygningen.
Både hastigheten och noggrannheten för att knacka på mål minskade efter vestibulär stimulering, vilket indikerar att denna typ av funktionsnedsättning kan hindra en besättnings förmåga att skaffa kända målplatser i en statisk stående ställning. Huvudets linjära accelerationer ökade också, vilket tyder på att försöket att hålla balansen störde deras prestanda.
Framtida forskningsinsatser kommer att utforska balans- och mobilitetsuppgifter för att komplettera denna hand-öga-koordinationsbedömning för att ge en tydligare bild av en astronauts anpassning till lokal gravitation. Före driftsättning kommer det också att vara nödvändigt att fastställa beredskapströsklar för att vägleda beslut. Weiss, nu Human Factors Research Engineer vid NASA Johnson Space Center, utökar detta arbete för att stödja astronauttestning.
"Vi kommer att testa den här uppgiften i mikrogravitation genom ett program på Aurelia Aerospace som gör det möjligt för studenter att utföra studier i simulerad mikrogravitation med hjälp av parabolflyg", säger Sitrling.
"Sensorimotoriska utmaningar utgör stora risker för besättningsmedlemmar, och vi arbetar för att använda elektrisk vestibulär stimulering för att träna astronauter att operera i dessa funktionshindrade tillstånd före rymdfärd för att förbättra deras resultat", säger Aaron Allred, första författare på tidningen och doktorand i bioastronautik vid University of Colorado Boulder.
"Här på jorden kan de bedömningar och funktionsnedsättningsparadigm som vi utvecklar informera om patientvård inom telehälsovård, till exempel för dem som upplever vestibulär förlust med åldern," tillade Allred.
Mer information: Aaron R. Allred et al, An Augmented Reality Hand-Eye Sensorimotor Impairment Assessment for Spaceflight Operations, Aerospace Medicine and Human Performance (2024). DOI:10.3357/AMHP.6313.2024
Tillhandahålls av University of Michigan College of Engineering
