通過身臨其境的模擬，宇航員可以完善他們在太空行走中執行的每一個動作，以確保更好地準備前往國際空間站、月球和其他地方執行任務。

VR/XR技術在宇航員訓練中的優勢：

提高安全性:復雜或危險程序的無風險實踐

成本和資源節約:減少對實體模型、物流和人員的需求

靈活且可擴展:易于適應各種培訓場景

增加重復次數:允許多次練習，加強肌肉記憶

時間效率:減少總體培訓持續時間和日程安排需求

增強沉浸感和參與度:更加現實、激勵人心的培訓體驗

更好的空間定位:改善微重力環境下的思維映射

下一代太空探索準備工具

讓宇航員為載人航天任務做準備需要數年的準備和數百小時的復雜模擬訓練。沒有出錯的余地，任務的成功取決于完美的執行。

Varjo與PaleBlue合作的零重力實驗

為此歐洲航天局位于德國科隆的歐洲宇航員中心正在不斷尋求新的、創新的方法來加強宇航員培訓。

他們專注于擴展現實(XR)、人工智能、量子技術和物聯網&機器人的團隊開發了專門為歐空局宇航員量身定制的高級可視化、交互式培訓模塊和現實模擬。他們的主要目標是創造高度身臨其境和引人入勝的培訓體驗，以補充傳統的培訓方法。

為了確保最大的準確性和有效性，XR實驗室團隊在整個開發過程中與宇航員教練和指導員密切合作。這種密切的合作關系確保了每一個沉浸式訓練場景都準確地反映了宇航員將會遇到的真實世界條件。

宇航員如何進行太空行走訓練——以及為什么它如此復雜

當宇航員為艙外活動(EVAs)或太空行走進行訓練時，每個步驟和動作都要練習數千次。這種訓練是資源密集型的，昂貴的，耗時的，因為它很大程度上依賴于美國國家航空航天局中性浮力實驗室的大量物理實踐。

休斯頓的這個大型泳池設施展示了國際空間站(ISS)的詳細水下模型。宇航員兩人一組在那里訓練，穿著重量平衡的特制宇航服，以確保他們既不會上浮也不會沉到底部。

這些場景是至關重要的，因為EVAs訓練內容極其復雜:它們通常持續6到10個小時，涉及專門的工具，并需要宇航員從氣閘到工作地點移動的復雜路徑。

傳統的泳池訓練有其固有的局限性。水下模擬不同于真實的空間條件，因為水的阻力、視覺線索的改變和重力的殘余感覺等因素。此外，設置這些會話需要大量的安全措施、調度支持人員的后勤以及大量的準備時間。

水下中性浮力訓練

宇航員邁出虛擬的一步，訓練邁出巨大的一步

認識到這些局限性，歐空局正在開發基于頭戴式耳機的VR/XR模擬，專門用于補充現有的訓練方法，如中性浮力池。使用虛擬和混合現實，宇航員可以體驗真正的失重狀態，反復練習精確的動作，并比傳統方法更有效地想象復雜的環境。

由于靈活且易于訪問的虛擬環境，通過引入一種新的訓練方式，宇航員可以緩解他們在地面準備期間的緊張時間安排壓力，因為他們在地球上的訓練時間通常很長，且要求很高。

“鑒于這些復雜性，有機會用虛擬現實模擬來補充訓練是非常有益的。虛擬現實提供了一個額外的實踐層，允許宇航員進一步完善他們的學習步驟，”歐洲航天局的觸覺和XR工程師安德烈亞斯·特魯爾說到。

此外，VR/XR可以模擬通過傳統方法幾乎不可能或不切實際地重現的場景。例如，當宇航員第一次打開氣閘室，看到地球就在他們的正下方，這種體驗在他們的第一次太空行走中可能帶來巨大的壓力，但通過事先體驗虛擬現實中的場景，宇航員會熟悉情緒和感官強度，這在水下模擬中是無法充分復制的。

在VR中掌握國際空間站的機械臂

國際空間站的加拿大2號機械臂

沉浸式技術也為機器人培訓提供了顯著的優勢。在歐空局的混合現實機器人教練解決方案中，宇航員可以虛擬地練習操作和操縱國際空間站的18米機械臂——由于巨大的基礎設施要求、安全風險和后勤復雜性，這種場景在地球上幾乎不可能實際復制。通過戴上頭顯訪問虛擬副本，學員可以以正確的比例和視角真實、安全地學習機械臂操作。

“我們的虛擬現實訓練的主要目標是為宇航員提供一個實用的工具，讓他們可以安全地練習程序，零成本試錯，并在他們在真實環境中執行這些任務之前根據需要經常重復練習，”歐洲航天局的XR軟件工程師弗洛里安·塞林說到。

這種培訓方法的結果已經很明顯了。歐空局的XR實驗室估計一半的機器人培訓以前通過傳統方法完成的工作現在可以被XR模擬有效地取代。這導致了機器人操作培訓時間總體減少約50%，而不會對性能產生負面影響，并保持宇航員熟練程度的高標準。歐空局也與美國國家航空航天局分享了這一培訓軟件。

“我們的最終目標是將VR的使用擴展到它可以有效支持宇航員活動的每個領域。”-歐洲航天局XR軟件工程師弗洛里安·塞林。

在離開地球之前，在月球上行走并修理國際空間站

除了機器人培訓，ESA還使用了其他幾個關鍵軟件應用程序來提供身臨其境的宇航員培訓體驗。其中之一是LUNA XR，這是一個大型模擬器和VR探索工具，可以高細節地再現月球景觀。

通過LUNA XR，學員可以與各種元素互動，甚至通過投擲石塊和觀察物體在失重環境中的行為來直接體驗月球重力。

另一個重要工具是EVA太空行走訓練工具，它提供了宇航員在進行太空行走時處理的不同組件的高度詳細的虛擬現實可視化。這些模擬使受訓人員能夠熟悉國際空間站外部和內部環境的不同方面。他們可以探索空間站的外部，以準確了解他們在太空行走期間將在哪里執行任務。

在空間站內，受訓者可以研究內部系統的詳細布局，包括技術機架、氣閘和滅火器等應急設備的位置。訓練軟件甚至允許宇航員練習復雜的維護程序，例如更換氧傳感器或去離子裝置——這些任務最終必須在空間站上執行。

重復、現實和結果——為什么宇航員喜歡VR/XR訓練

歐空局的XR實驗室可根據每個太空旅行者的個人訓練目標定制沉浸式訓練場景。使用ESA的VR/XR解決方案進行訓練的宇航員往往會提供熱情的反饋，強調這些身臨其境的體驗如何很好地補充傳統的訓練方法。

VR/XR訓練讓他們有機會練習太空探索中標志性的、令人興奮的方面——如進行太空行走或控制機械臂——這些任務自然會激發和激勵他們。“宇航員喜歡使用這些虛擬現實應用程序。它更有吸引力，與他們通常經歷的其他類型的培訓完全不同，”特魯爾指出。

根據歐空局XR小組的說法，宇航員很高興能夠多次重復程序，讓他們記住每個動作，直到成為肌肉記憶。“這種精確程度的重復訓練方法并不常見”特魯爾說。

擴大VR/XR在空間任務中的作用

歐空局還在傳統的宇航員培訓之外應用虛擬和混合現實。他們已經在初始階段的產品設計中利用該技術來測試空間設備接口，并在開發早期識別人體工程學或實際問題。他們還在建筑應用中使用了沉浸式技術:

虛擬現實幫助項目經理可視化和優化歐空局新的月球模擬設施的布局，從而在投入建設之前進行改進。

展望未來，歐空局的XR實驗室正在探索VR/XR的許多新的操作用途。他們現在專注于將混合現實能力集成到他們的月球模擬中，以使宇航員訓練中的月球景觀更加身臨其境。歐空局還旨在將VR/XR應用擴展到操作環境，包括支持監督國際空間站和與之通信的地面控制人員。

虛擬現實也有可能在長期太空任務中支持宇航員的精神健康:基于頭顯的沉浸式體驗可以讓宇航員從受限環境的中逃離出來，提供放松、娛樂甚至治療。

“我們的最終目標是將虛擬現實的應用擴展到能夠有效支持宇航員活動的每一個領域，”薩林說到。

隨著沉浸式技術的不斷成熟，歐空局對VR和XR的大膽推進不僅可以重新定義宇航員的訓練方式，還可以重新定義人類如何為下一個前沿領域做好準備。