推進航空航天研究和創新

馬里蘭大學(UMD)的航空航天工程系正在通過突破性研究開創航空飛行培訓的未來。創新的核心是擴展現實飛行模擬和控制實驗室，該實驗室由助理教授Umberto Saetti指導。

該實驗室專門從事用于飛行訓練和評估的高級虛擬、增強和擴展現實模擬(VR/XR)。目前，團隊包含從碩士、博士到博士后研究人員約15人。

實驗室的研究涵蓋了一系列重要的航空航天領域，包括飛行動力學、垂直升力技術和人機交互。他們工作的核心是探索提高航空安全、飛行員表現和培訓效率的新方法，重點是以前從未嘗試過的方法。

自大約兩年半前成立以來，該實驗室已經從美國陸軍、美國海軍、國家科學基金會、洛克希德·馬丁公司和美國國家航空航天局公司等多家著名組織獲得了大約300萬美元的研究資金。

馬里蘭大學擴展現實飛行模擬和控制實驗室

大學實驗室的新領域

基于沉浸式頭顯的模擬已經成為進行有效評估和研究的強大工具。對于航空航天研究來說，這些技術可以用更靈活、更經濟、更易接近的虛擬環境來代替大型圓頂物理座艙模擬駕駛器。

1. 成本效率：顯著降低模擬器成本，使大學在經濟上能夠獲得先進的模擬技術。

2. 減少物理占地面積：消除了對大屏幕和龐大結構的需求，大大降低了模擬器的質量、慣性和尺寸。

3. 靈活性和多功能性：無需單獨的物理設置，即可在不同配置之間快速輕松地切換。

4. 多用戶能力：經濟實惠，可購買多個可連接在一起的單元，例如允許同時進行多飛行員和多飛機模擬。

5. 增強沉浸感和真實感：頭戴式耳機可以安裝在各種運動平臺上，并允許以前不可能的模擬動作。

6. 能見度提高：提供卓越的360°俯視和周邊視覺功能，超越物理屏幕的限制。

在飛行中釋放人類感官的全部潛力

UMD擴展現實實驗室的研究特別關注將視覺反饋與不同的感官輸入相結合，如觸覺、主動前庭刺激和空間化(3D)音頻，以提高訓練效果。該團隊利用各種可穿戴生理傳感工具，在模擬過程中準確測量飛行員的工作負荷，并積極管理和優化體驗。

助理教授翁貝托·薩伊蒂解釋到:“我的研究重點是通過利用所有可用的感官線索來開發‘超級飛行員’”。由于飛行員在飛行時主要依靠視覺和他們的平衡感，其他感官，如觸覺和聽覺，在飛機控制中通常沒有得到充分利用。“我們正在研究如何有效地利用這些額外的感官輸入來提高飛行員的表現，改善航空安全，特別是在非正常情況下，”薩伊蒂說。

該實驗室的大多數項目都涉及評估飛行員在虛擬現實環境中控制飛機的能力，以及測試在飛行過程中提供物理反饋的觸覺提示算法。例如，與洛克希德·馬丁公司合作，研究人員研究了觸覺反饋(觸覺)如何增強飛行員的感知能力，并有助于改善視覺退化情況下的表現。他們開發了算法和方法，幫助飛行員在黑暗中、穿過云層或在具有挑戰性的環境下飛行，最終提高飛行安全。

最近，在一個由國家科學基金會正在研究觸覺反饋是否有助于減少未來飛行員的訓練時間。的項目中，明確展現出觸覺線索可以加速有人駕駛的旋翼飛行器和遙控飛行器的訓練。

最大化飛行感覺

UMD XR實驗室的一個重要優勢是其先進的飛行模擬器。得益于先進的運動提示，飛行員通過運動平臺能夠體驗一系列飛行的物理感覺，從微妙的力變化到機動駕駛艙飛行體驗。

讓體驗更加身臨其境的是Varjo XR-3和XR-4頭顯先進的混合現實穿越技術。混合現實允許飛行員與駕駛艙元素進行物理交互，因為駕駛艙的一部分仍然是物理的，而其余部分是虛擬的。

為了完善這種體驗，該實驗室整合了一系列可穿戴觸覺解決方案，包括用于觸覺交互的觸覺手套， 特斯拉suits刺激肌肉來模擬飛行的物理力量 bHaptics傳遞振動反饋以增強感官真實性的背心。

描繪飛行員的思維

理解飛行員的想法和模擬飛行一樣重要。UMD研究團隊非常重視監控飛行員的大腦活動，以更深入地了解飛行員的認知工作量和整體狀態。“我們的目標是在整個任務中優化飛行員的表現，無論是在軍事還是民用航空領域，”薩伊蒂說。

為了實現這一目標，該實驗室采用了可穿戴的大腦監控設備，包括配備了功能近紅外光譜(fNIRS)和腦電圖(EEG)傳感器的頭顯，，如可穿戴傳感和OpenBCI。OpenBCI的高級生物傳感將EEG傳感器與Varjo的虛擬和混合現實硬件無縫集成。這種融合允許研究人員在飛行員導航沉浸式飛行環境時捕捉實時腦波數據。

這些工具共同實現了飛行模擬期間大腦和身體的全面、實時映射，為飛行員的精神努力和認知參與提供了一個窗口。

面向高級研究的可信技術

根據助理教授薩伊蒂的說法，VR/XR研究實驗室最終決定使用Varjo混合現實頭顯的主要原因是其高精度、逼真度和無縫集成等優勢。其中一個突出的功能是Varjo的Focal Edition選項，它可以在飛行員最需要的地方提供超高分辨率的近距離視覺效果，這使得在駕駛艙內的近距離觀看儀表臺數據成為可能。

“這是我們對Varjo XR-3和XR-4焦點版非常滿意的一個原因，”薩伊蒂說。“我們特別選擇了Varjo耳機，因為Varjo是市場領導者，選擇Varjo從各個方面看都是顯而易見的。”

該實驗室還重視Varjo設備與模擬生態系統中其他關鍵技術的系統和軟件無縫集成的能力。“Varjo與BRUNNER模擬器的無縫集成也使我們的設置和使用變得簡單明了，”薩伊蒂指出。“此外，Varjo出色的客戶和技術支持一直在滿足我們的需求。”

描繪模擬技術的下一波浪潮

由于研究處于創新的前沿，UMD的XR實驗室正在不斷開發超越當前商業能力的技術。該團隊下一步將探索他們的感官提示方法，如觸覺反饋如何提高無人機駕駛等遠程操作的參與度。

在這些情況下，飛行員通常只依賴視覺輸入，這會導致疲勞和警覺性降低。研究人員的目的是探索結合觸覺反饋是否可以增加飛行員的參與度，并引入與遠程飛機的物理連接感。

此外該實驗室還進入了一個被稱為前庭電刺激(GVS)的開創性領域——一種使用電極通過頭戴式顯示器直接向大腦發送運動信號的技術。雖然仍處于早期開發階段，但GVS有潛力模擬運動感覺，如轉彎或加速。由于當前的運動平臺在加速度模擬和運動范圍方面存在一些限制，GVS可以為這些極端的飛行條件提供更真實的模擬體驗，并有可能補充甚至取代物理運動平臺。

這可能會徹底改變高G值機動、行星著陸甚至太空訓練中的失重模擬方式。盡管挑戰仍然存在，例如確保不同個體之間的可重復性和一致性，但未來GVS將有機會成為創造超現實飛行體驗的可行工具。

“與技術合作伙伴合作，進一步探索這一點，可以釋放出難以置信的潛力。我們的最終目標是在未來將這項技術開發成可行的商業產品，”薩伊蒂總結道。