NASA gebruikt al 20 jaar VR om astronauten te trainen

Volgend jaar gaan we de ruimte in met EVE: Valkyrie en Adrift, heel vet natuurlijk als die space games. Alleen lopen we een beetje achter, NASA is al 20 jaar bezig om met virtual reality astronauten klaar te stomen voor het echte werk. Op het Lyndon B. Johnson Space Center zijn ze al jaren bezig met de beste simulaties en zelfs het hele International Space Station kun je in virtual reality bezoeken.

Outer Space

Voor het eerst in zijn leven hing astronaut Doug Wheelock aan een rail buiten het International Space Station, met trots keek hij neer over de aarde onder hem. Hij wist precies waar hij was, want deze omgeving had hij al veel vaker gezien in het VR laboratorium. Veel astronauten die met VR hebben gewerkt tijdens hun training vinden de overeenkomst tussen de ‘’echte ruimte’’ en de VR ruimte in het laboratorium verbazingwekkend. Door vaker in de VR ruimte te komen hebben ze minder stress tijdens een missie honderden kilometers boven de aarde als ze in de ‘’echte ruimte’’ zijn’.

ISS 1In de ruimte zijn de volgende minuten van een astronaut nooit zeker, ze hebben constant te maken met verschillende waarden die ze in de gaten moeten houden, bijvoorbeeld de constante temperatuurwisselingen van -184 naar +184 graden Celsius. Ook is de ijzingwekkende stilte iets waar je rekening mee moet houden, in de ruimte hoor je niets behalve je eigen ademhaling en hartritme. De ruimte is mooi, maar ontzettend gevaarlijk.

Wheelock wist precies hoe het zou zijn in de ruimte, hij heeft hard getraind in het Johnson Space Center, zowel mentaal als fysiek. Zolang virtual reality heeft bestaan zijn er altijd grappen over gemaakt, of bestempeld als onrealistisch. In het Johnson Space Center in Houston zijn ze ondertussen rustig doorgegaan met het ontwikkelen van de beste virtual reality ervaring voor hun astronauten.

Virtual reality is geëvolueerd en doorontwikkeld tot één van de meest belangrijke onderdelen van de astronautentraining. NASA heeft keer op keer verschillende technologieën doorgedrukt om een super virtual reality device te bouwen, zonder dat er commerciële doeleinden aan verbonden waren. Dit geeft wel aan hoe ver NASA bereid is om te gaan om de beste training voor de astronauten te garanderen.  NASA’s VR experiment is uiterst succesvol gebleken, nergens ter wereld was er een plek waar de ruimte kon worden nagebootst. Nu is deze plek er in dus wel in Houston, Texas.

Lyndon B. Johnson Space Center

Het Johnson Space Center strijkt uit over 1700 hectare grond in de buurt van Nassau Bay in het zuidoosten van Houston, Texas. Op dit stuk staan meer dan 200 willekeurig genummerde gebouwen, in gebouw 9 is het NASA VR lab.

JSCNa 2 grote zware metalen deuren te hebben geopend kom je in een normale kantoor ruimte, het enige verschil dat je kunt merken is dat er foto’s hangen van veel verschillende ruimtemissies. Een gedeelte van het ogenschijnlijke normale kantoorgebouw is afgezet met grote zwarte doeken, het zogenaamde VR Lab.

De kamer hang vol met kabels en lichtgevend sterretjes (het soort dat kleine kinderen boven het bed hangen), er hangen 2 kubussen net boven de grond. Deze kubussen die eigenlijk robots zijn hangen net boven de grond en worden omhoog gehouden door een netwerk van kabels, Omdat deze kabels sterk doen denken aan een spinnenweb hebben ze het netwerk Charlotte genoemd (vrij naar de film Charlotte’s Web).

Midden in het lab staan twee speciaal door NASA ontwikkelde head-mounted displays, ze worden constant bijgesteld en krijgen doorlopend upgrades. Net als de nieuwe Oculus CV1 hebben deze HMD’s 2 OLED schermen, de NASA HMD’s hebben een resolutie van 1080p per oog met een 20 tot 60 Hertz frequentie. Deze frequentie word per missie weer anders afgesteld.

Op het moment dat je een van deze HMD’s opzet vlieg je direct boven het International Space Station. Dit is op het moment de meeste realistische ervaring van de ruimte zonder dat je er daadwerkelijk bent. In het laboratorium zijn ook speciale NASA handschoenen aanwezig, deze bevatten speciale sensoren waardoor je interactieve handelingen kunt verrichten, deze handschoenen zijn te vergelijken met die van Manus Machina.

Tijdens het dragen van de HMD’s kun je volledig in en rondom het ISS vliegen, voor de neutrale toeschouwer is dit een geweldige ervaring. Voor de astronauten is deze ervaring cruciaal, op deze manier worden de astronauten klaargestoomd om allerlei onderdelen van het ISS te vervangen terwijl ze er niet daadwerkelijk zijn.

Begin van VR bij NASA

NASA was in het begin van de jaren ’90 sceptisch over virtual reality, het was leuk maar kun je er ook wat mee? Mr. Homan was destijds een engineer van NASA en had al simulaties ontworpen voor het gebruik van een robot arm in de space shuttle, Hij was dan ook een van de eerste personen die zich ging bezig houden met de functionaliteit van VR bij NASA.

Tijdens een VR conferentie in Wyoming was Homan de enige aanwezige van NASA, hier kreeg hij het idee om met virtual reality een vervangende training voor astronauten te creëren. Deze trainingen vonden destijds plaats in een gigantisch zwembad, dit werd het Neutral Buoyancy Lab genoemd. Het Neutral Buoyancy Lab is was een zwembad gevuld met een speciale vloeistof waardoor het leuk alsof je in een omgeving zonder zwaartekracht liep. In dit laboratorium werden testen met gereedschap en dergelijke gedaan, na een tijdje werd duidelijk dat virtual reality geen verbetering was voor het testen van deze vaardigheden.

Dat veranderde echter allemaal na het lanceren van de Hubble telescoop in 1990, na een tijdje werd duidelijk dat het apparaat van 2,5 miljard dollar afbeelding van slechte kwaliteit produceerde. De oplossing was de STS-61 missie om de telescoop aan te passen en de lenzen te reinigen. Homan zag zijn kans en duidde meteen problemen aan die opgelost konden worden met virtual reality simulaties, deze problemen waren bijvoorbeeld met de communicatie tussen de astronauten. Bijvoorbeeld als een astronaut ondersteboven hing aan een robot arm en zei dat hij omhoog wou, welke richting bedoelde hij dan? Door deze problemen te voorkomen met VR simulaties zou kostbare tijd gespaard worden.

HBTDoor gegevens en simulaties samen te brengen werd er doormiddel van primitieve virtual reality een communicatie en beweging systeem opgezet. Nadat dit probleem opgelost was werd er nog een probleem ontdekt, een replica van een onderdeel van de Hubble telescoop was te groot voor het 12 meter diepe  Neutral Buoyancy Lab. Hierdoor konden de astronauten niet de hele missie oefenen en kon de Hubble telescoop maar half gerepareerd worden.

Toen de hele Hubble telescoop in VR was nagebootst kwam NASA erachter dat de meeste reparaties niet uitgevoerd konden worden met de huidige robotarmen. Zonder virtual reality toe te passen waren ze er pas in de ruimte achter gekomen dat de robotarmen niet zouden werken. De robotarmen zijn uiteindelijk aangepast en in de nieuwe setting gebruikt voor de reparaties aan de Hubble telescoop.

In 1994 werden alle astronauten uitgerust met een jetpack voor het geval dat ze los kwamen van het ISS of de Hubble telescoop. Het losraken was nog nooit eerder gebeurd, maar de kans was zeer zeker aanwezig. Op de STS-64 missie werd voor het eerst geoefend met de jetpacks in de space shuttle, dit bleek heel lang te duren en kostbare tijd werd verspilt. Ook het oefenen met de jetpacks gebeurde voortaan in VR.

Charlotte

De volgende belangrijke toevoeging aan het Johnson Space Center VR laboratorium was Charlotte. Oorspronkelijk was Charlotte ontworpen als houvast tijdens het slapen zonder zwaartekracht, Homan zag echter hele andere mogelijkheden voor Charlotte.

ISS 4Charlotte werd een essentieel onderdeel in het verplaatsen van onderdelen buiten het ISS, deze onderdelen waren gewichtloos door de zwaartekracht in de ruimte maar nog steeds ontzettend groot. Ondanks het feit dat ze bijna gewichtloos waren beschikten de onderdelen nog wel over massa en zwaartekrachtpunten, dat hield in dat als ze begonnen te draaien of bewegen dat ze dan onhoudbaar zouden worden.

In 2007 moest astronaut Wheelock een zonnepaneel van ISS ontkoppelen, het zonnepaneel woog zo’n 16.800 KG maar Wheelock kon het zonnepaneel met een vinger optillen. Maar als het zonnepaneel zou beginnen met bewegen in een bepaalde richting zou het zo zijn hele hand er af kunnen rukken. Door te trainen met Charlotte worden dit soort problemen gesimuleerd en zo voorkomen, dit scheelt zonnepanelen en mensenlevens.

Virtual reality is de enige manier om deze situaties te simuleren, bovendien is het niet zo duur als een volledige ruimtemissie. Na het Shuttledrama van 2003 waarin 7 astronauten om het leven kwamen werd het shuttleprogramma 2 jaar stil gezet. De volgende 2 shuttle vluchten waren return to flight missies en hierin werden nieuwe tactieken uitgevoerd zodat er niet weer hetzelfde zou gebeuren als in 2003.

SSRMVoor een shuttle landing moesten de piloten een Rendez-vous Pitch Maneuver uitvoeren, bij deze handeling werd de onderzijde van de shuttle getoond aan de bemanning van het ISS. De bemanning moest checken of er geen beschadigingen waren aan de shuttle zoals dat in 2003 wel het geval was.

De handeling was erg moeilijk om uit te voeren en de check moest snel gebeuren, het virtual reality laboratorium heeft Charlotte zo gemodificeerd dat Charlotte foto’s kon maken van de onderkant van de shuttle. Deze foto’s werden gesimuleerd en geprojecteerd op de onderkant van de shuttle zodat de beelden vergelijkt konden worden, op deze manier konden eventuele beschadigingen sneller worden opgemerkt.

DOUG

Het is makkelijk om te focussen op alle vette hardware binnen het laboratorium, maar zonder alle software zou de hardware nergens zijn.

SAPOp dit moment worden alle virtual reality training programma’s aangedreven door het Dynamic Onboard Ubiquitous Graphics – DOUG in het kort. Het meest indrukwekkende aspect aan DOUG is dat DOUG in feite het hele ISS in een gesimuleerde versie is. Elke verandering aan ISS wordt direct opgenomen door DOUG.

Astronaut Wheelock stond een keer voor een monitor om een scheur te detecteren in een zonnepaneel, hij wist alleen niet meer in welk zonnepaneel die scheur zat. Het zijn namelijk 16 mega zonnepanelen die bestaan uit honderden kleinere zonnepanelen. Vanuit het laboratorium werd ISS grondig onderzocht door DOUG en de scheur was binnen de kortste keren gelokaliseerd.

DOUG wordt ook gebruikt voor de Jetpack training op het ISS station. Doordat astronauten tegenwoordig veel langer aan boord zijn van het ruimtestation beginnen sommige trainingen te vervagen. Engineer Bell kwam met de oplossing om een laptop te combineren met een bril om zo virtual reality te simuleren in de ruimte.

Evolutie van de VR technologie

Het huidige laboratorium team – Miralles, Bell, Hoblit, Paddock en Schweers –  proberen met z’n allen te herinneren hoeveel verschillende HMD’s ze hebben gehad en welke modificaties ze hebben toegepast.

Tot nu toe zijn het er zes geweest:nasa_hmd

1991 – Flight Helmet Virtual Research (LCD Display – 320×240)

1992 – N-Vision Datavisor (CRT Display – 1280×1024

1994 – N-Vision Datavisor (CRT displays – 1280×10240

2005 – N-Vision Datavisor (Micro-Oled display – 800×600)

2012 – Eigen product (LCD Display – 1280×720)

2015 – Eigen product (OLED display – 1920×1080)

Bell was geen grote fan van de N-Vision Datavisors, het bijstellen van de beeldvervorming ging doormiddel van analoge bijstel wielen aan de zijkant. Het beeld begon door het bijstellen rare beelden weer te geven waardoor Bell telkens misselijk werd tijdens het bijstellen van de bril.

FRMFDe HMD’s van vroeger kosten honderdduizenden dollars en waren geen plug ’n play modellen, om de extra kosten te voorkomen begon het VR laboratorium zelf de brillen aan te passen en te modificeren. Dat doen ze nu nog steeds, met van alles. Ze zijn begonnen met het vervangen van een 4-rack mainframe voor een PC die de HMD aandrijft, het vervangen van de apparatuur kostte minder dan de jaarlijkse kosten van het onderhoud. Op een gegeven moment zijn ze zelfs begonnen met het bouwen van eigen computers om te zorgen dat de prestaties optimaal waren voor de HMD’s.

 Ze zijn 20 jaar lang bezig geweest met het uitzoeken van de nieuwste en beste apparatuur om de HMD’s aan te passen en te optimaliseren.

De toekomst

Na het verdwijnen van de spaceshuttles zijn er minder astronauten om te trainen. Maar zolang het ISS er nog is zijn er nog genoeg dingen te doen. ISS blijft nog minimaal 10 jaar operationeel dus het laboratorium ook.

Het laboratorium is nu bezig met IMAX om een film te maken van het ISS. Elke keer als de SpaceX ruimteraket een vlucht maakt om voeding en dergelijken te leveren aan de bemanning maakt ISS foto’s en video’s van de vlucht. Door DOUG te gebruiken worden de beste camera hoeken uitgekozen en worden de beelden doorgestuurd naar IMAX.

Op 10 augustus 2015 was de laatste missie tot dit moment. De Russische astronauten Gennady Padalka en Mikhail Korniyenko hebben tijdens deze missie meerdere opdrachten voltooid die ze op aarde eindeloos hebben geoefend in het Neutral Buoyancy Lab en in het Virtual Reality Lab.

Sinds 1991 zijn we al bezig met het ontwikkelen van virtual reality, Door het toepassen van virtual reality zijn er talloze missies geoefend en meerdere levens gered. Zo zie je maar weer dat Virtual reality meer toepassingen heeft dan alleen games op de oculus rift en nieuwe tactieken voor sport

We will be happy to hear your thoughts

Reageer!