作为美国科幻大片经常出现的角色,NASA对各种新技术已经达到了痴迷的程度,VR、AR自然也是目标之一。

其实,从上个世纪80年代开始,NASA就已经致力于各种虚拟现实原型设备的开发,在宇航员的训练和指导中都扮演了重要的作用。(关注VR次元微信公众号:qqtechvr,查看更多VR趣闻)

早期NASA用VR来做宇航员训练方面的工作

如今,随着一波消费级VR设备的发售,NASA也和一些知名的VR公司合作,无论是宇航员还是太空爱好者,都有了更酷的体验。从宇航员训练到模拟火星生存,VR的功能都被发挥到极致,远远超出VR在其他领域方面的应用。

2016年年底,NASA飞行项目副总指挥Josh Kinne表示,随着许多VR设备已经商品化,NASA会有更多的机会接触这些能够带来3D沉浸式体验或者具有重要意义的VR应用。

Ed McLarney是NASA的信息技术专家,他正在带头研究VR技术。Ed McLarney表示,沉浸式技术正变得普遍起来,我们希望帮助员工思考,如何以安全可靠的方式最大化地利用这项技术。未来就在这里,我们必须把握住它,这是又一次改变游戏规则的机会。

NASA的VR训练场

NASA有一个大型的VR实验室,主要目的是训练宇航员进行太空行走。当宇航员离开太空船环境,进入太空中,执行一些任务(例如更换空间飞行器上出毛病的模块)的时候,就要进行太空行走。太空行走最常见的地方是国际空间站(ISS,多国合作构建的人造卫星)。自1998年以来,ISS就一直在轨道上运行,所以当这颗卫星的外部需要进行维修的时候,两个(或更多)宇航员就会从ISS里钻出来,进行太空行走,开展维修工作。

NASA利用PS VR训练宇航员

在过去,如果你以前没有进行过太空行走,你就不知道它会是什么样。所以,为了防止灾难事故的发生,从20世纪80年代中期就开始,美国宇航局的研究人员就在寻找让宇航员体验太空行走的方法。你可以在NASA的VR实验室看到他们的研究成果。现在,部署到 ISS上的几乎每个宇航员都知道从ISS出来时会是什么感觉。

NASA的VR实验室为宇航员提供了丰富的VR体验。它是一个传统的图形三维 ISS环境,使用头盔、触觉反馈手套和运动跟踪器为宇航员提供走到ISS外面的虚拟体验。它对ISS的每个部分都进行了完整建模,有各种电缆和组件。因此宇航员穿戴上这些装备后就可以在虚拟空间中行走,抓取物体,还可以细致地探索空间站。这是为了让他们适应ISS的外部结构,这样他们进行太空行走时,就不会出现“找不到方向”的问题。

以前的VR设置存在一个明显的缺点 ——你无法感觉对象,而夏洛特(Charlotte)机器人可以解决这个问题。它是一个网状结构,由中央计算机控制,使用先进物理学来模拟物体在空间微重力作用中的感觉,包括它们的质量、惯性矩等等。夏洛特机器人的中心就是被模拟的对象。这个机器人的奇妙之处在于,它并不需要全尺寸的等高模型。

NASA的 VR实验室还有一个虚拟SAFER(Simplified Aid for EVA Rescue)单元。宇航员从ISS钻出,步入太空,进行太空行走的模拟过程也有它的参与。在理想情况下,宇航员要使用氮推进的SAFER系统返回空间站,因此相关的VR体验就涉及这个单元的部署,以及如何找到回ISS的路线。

HoloLens帮了大忙

2016年11月7日,在纽约大学的一个活动上,来自NASA下属喷气推进实验室(JPL)的游客正体验走在火星上、操作登陆车的感觉。JPL下属操作实验室创意总监马休•克劳森与JPL实习生、纽约大学毕业生马里吉克•乔利茨马共同展示了HoloLens的研究和探索能力。这种设备可将来自火星表面的虚拟图像投射到真实世界中。

克劳森与乔利茨马都戴着HoloLens头盔,他们的虚拟视觉场景则被投射到身后的大屏幕上,以便观众可以分享他们的视觉体验。他们首先演示了OnSight,即在虚拟空间重建火星表面,这种技术可帮助研究人员为“好奇”号火星探测器设定目标和路线。OnSight技术最近已经在肯尼迪航天中心推出,游客可在这里随着巴兹•奥尔德林(首位登月宇航员)的全息投影游览火星。

奥尔德林的身影出现在火星山上

在此之前,研究人员已经根据火星探测器经过的漫长、平坦路线,绘制出火星表面的大致景观。克劳森的团队发现,当研究人员处于虚拟火星场景中可以环顾周围时,在确定距离方面准确度可提高2倍,确定火星特定位置角度的精确度提高了3倍。而且研究人员(包括地质学家)发现它们使用工具变得更自然。

乔利茨马说:“当科学家们首次使用HoloLens头盔时发生的最有意思的一件事情是,他们意识到自己可以跑到山顶上,以获得现场空间意识。因此,只要他们戴上头盔,立即就可以开始使用它,并以空间的方式思考它。”克劳森也说:“这是第一个线索,表明我们正朝着正确的方向迈进。”

克劳森与乔利茨马还演示了HoloLens的第二个应用,他们称之为Project Sidekick。通过观察宇航员的动作,研究图表以及额外信息,可以帮助专家通过复杂程序指导国际空间站上的宇航员执行任务。尽管克劳森与乔利茨马无法现场演示这种技术,但他们分享了Project Sidekick测试的照片和视频。

利用Hololens体验失重

首先,这种技术在NASA极限环境使命行动(NEEMO)中进行测试。NEEMO是模拟空间站的水下设施,这里的研究人员可被遥控指导进行诊断和治疗阑尾炎,还可以执行其他任务。接着,这种技术又在失重模拟飞机中测试,最后在国际空间站上进行测试,宇航员斯科特•凯利(Scott Kelly)曾带着头盔与地面通讯。

有了HoloLens的指导,NEEMO中的宇航员可以在1个小时内就完成预定任务。而过去依照书面程序指导时,他们需要花费4个小时时间才能完成。在国际空间站上,打开舱口和灭火等行动都非常复杂,需要执行多个步骤程序,而Project Sidekick可以帮助节省大量时间。

克劳森与乔利茨马演示的第三个HoloLens应用名为Protospace,可以让工程师在设计太空船或其他机械时,探查它们的详尽模型。研究人员已经利用Protospace设计地表水和海洋地形(SWOT)卫星,美国宇航局打算2020年发射它,用以观察气候变化对海洋的影响。此外,研究人员还利用其设计美国宇航局Mars 2020探测器以及环绕木星卫星Europa旋转的大型轨道器,前者将前往火星表面收集样本带回地球。

克劳森与乔利茨马展示了虚拟版的Mars 2020,我们可以从不同角度查看它,甚至可以放大,并可将其悬于观众的头顶。乔利茨马说:“Protospace改变了太空船设计,允许机械工程师们协同制作与真实物体差不多大的可视化模型,并赋予其时尚感。这是他们以前从未做到过的,除非他们花费大量时间和资金进行3D打印。”

Protospace可让研究人员看到,与正常的2D模型相比,如何能让零部件更好地配合起来。研究人员可以协同制作模型,或练习棘手的安装任务。纽约大学工程系的学生们本学期帮助创建了设计界面需要的工具栏。克劳森说:“我已经等不及看到人类真正踏足火星的那一天。实际上,那里不仅将有宇航员,还有地球上数以百万计不受线缆限制的人。对于他们来说,从火星表面飞过、帮助宇航员收集数据都将是安全的。”

克劳森澄清说,火星数据将被轨道器收集,包括小卫星和火星表面探测器,但却可以通过那些虚拟前往火星表面的人核实。他表示:“不止JPL的人,或世界上其他航空机构的人,我们认为将来所有人都可以虚拟体验火星之旅。任何拥有沉浸技术的人,都可以参加到新世界的探索中来。”

危险的活让机器人去干,用VR来指挥

太空环境的复杂程度远程人类的想象,各种辐射、陨石碎片袭击都有可能会对宇航员造成致命的伤害,因此机器人成为了代替宇航员执行任务的不二选择,而利用VR可以让机器人在执行任务时,更加精细化。

2015年年底,NASA携手索尼开发了一款名为Mighty Morphenaut的应用,操作员可以带上VR设备远程操控太空机器人执行任务。

在虚拟世界中,程序员们重新塑造了有机器人存在的太空舱,这样宇航员们就能学会操控机器人在太空环境中完成一系列高危任务。

Mighty Morphenaut可以在PS4上运行,带上PlayStation VR之后,你就可以环顾四周并根据虚拟环境中发生的事做出实时判断。

通过控制器对机器人发出指令后,它就会模拟你的动作来执行任务。不过由于操作员和太空中的机器人距离较远,所以机器人的动作还是有些延迟。

不过据称NASA已经考虑到了这个问题,并在程序中加入了“幽灵手”功能,这样就能减小延迟,操作员也能更清晰的掌握外太空的情况。

NASA用VR在CES大放异彩

2016年的CES展会上,VR成为了最大的看点,已经在VR上取得诸多成就的NASA,租用了一个三平米的小型展位,来展示自家的VR应用。

上图是NASA的VR项目,用户通过头戴设备可以看到火星车从火星拍摄到的真实场景。

上图是NASA的AR应用,在手机上下载NASA的应用之后,对准卡片,卡片就会成为你手机中的火星车。

按照NASA的说法:“我们并不是来卖东西的,而是想让人们提高对 NASA 的认识,让人们知道我们是怎么探索太空的,我们一点儿也不神秘。”

从上面的种种案例可以看出,NASA VR应用的技术含量已经远远超出了面向消费者的公司,毕竟NASA没有太多的商业压力,并且汇聚了全球的顶尖人才,可以一心一意想着如何能利用VR、AR技术改善当前航天航空方面的不足。但这一切仅仅是一个开始,VR、AR未来将帮助我们更加大胆地探索太空上的未知领域。

(本文转载自微信公众号:VR次元, 文/孙实)