Fijnmotorische taken onder ruimteomstandigheden vormen een bijzondere uitdaging en moeten van tevoren op aarde worden getraind. Wetenschappers van het Duitse Onderzoekscentrum voor Kunstmatige Intelligentie (DFKI) en de Universiteit Duisburg-Essen (UDE) onderzoeken of een robotisch exoskelet, dat gewichtloosheid kan simuleren, geschikt is voor astronautentraining. Het team had nu de mogelijkheid om deel te nemen aan de 42e parabolische vluchtcampagne van het DLR in Bordeaux, Frankrijk, om de effecten van gesimuleerde gewichtloosheid te vergelijken met die van echte gewichtloosheid.
Bij ruimtemissies worden astronauten vaak geconfronteerd met fijnmotorische taken, zoals het uitvoeren van reparaties of experimenten, die door de gewichtloosheid in de ruimte bemoeilijkt worden. Het gerichte trainen van deze vaardigheden is bijzonder belangrijk om niet alleen de efficiëntie van de missies te verhogen, maar ook de veiligheid van de astronauten te waarborgen. Tot nu toe kunnen dergelijke oefeningen op aarde alleen worden getraind tijdens parabolische vluchten of in ruimtepakken onder water.
Innovatieve ruimtevaarttraining met exoskelet
Wetenschappers van het DFKI Robotics Innovation Center in Bremen en de afdeling Medische Technologie van de Universiteit Duisburg-Essen (UDE) werken aan een alternatieve en kostenefficiënte trainingsmethode. In het project NoGravEx, dat wordt gefinancierd door het Duitse Ministerie van Economie en Klimaat (BMWK) in het kader van het INNOSpace-netwerk Space2Health – een initiatief van de Duitse Ruimtevaartorganisatie (DLR) – hebben ze een innovatieve aanpak ontwikkeld om microzwaartekracht te simuleren met behulp van een robotisch exoskelet. De technologie kan het gewicht van de armen van een persoon detecteren en compenseren, zodat de armen gewichtloos aanvoelen of bijvoorbeeld zo zwaar als op de maan.
Deelname aan DLR-parabolische vluchtcampagne
De effecten van gesimuleerde gewichtloosheid op het menselijk lichaam worden vergeleken met echte gewichtloosheid in het project GraviMoKo, dat ook wordt gefinancierd door het BMWK in het kader van het Space2Health-initiatief. Met de deelname aan de 42e DLR-parabolische vluchtcampagne van 27 mei tot 6 juni 2024 in het Franse Bordeaux hebben ze een belangrijke mijlpaal bereikt.
Tijdens parabolische vluchten wordt door middel van speciale op- en neergaande manoeuvres 31 keer voor ongeveer 22 seconden gewichtloosheid gecreëerd. Deze tijd staat de wetenschappelijke teams ter beschikking voor hun experimenten. In plaats van de geplande drie vluchten in drie dagen, steeg de Airbus A310 Zero G van Novespace in totaal vier keer op, omdat de eerste vlucht na slechts 16 parabolen wegens technische problemen moest worden afgebroken. De resterende parabolen werden op de tweede dag ingehaald.
Proefopzet en uitvoering
Het exoskelet-experiment was een van de elf geselecteerde experimenten aan boord van het vliegtuig en betrof de deelname van zes testpersonen. Om uitval van individuele proefpersonen te kunnen compenseren, hadden vooraf echter meer personen zich op de inzet voorbereid. De taak van de proefpersonen bestond erin om in de gewichtloosheid met de wijsvinger van de rechterarm het midden van een doel op een touchscreen te raken. De arm was bedekt met een mantel om visuele bewegingscorrecties te vermijden. Tijdens het experiment werden de spieractiviteit van de arm, de hersenactiviteit en de hartslagvariabiliteit van de proefpersonen evenals hun bewegingstrajecten geregistreerd.
De helft van de proefpersonen had deze taak al in het laboratorium met een actief exoskelet in gesimuleerde gewichtloosheid getraind, de anderen waren ongetraind of alleen bekend met de proefopzet. In tegenstelling tot de tests op aarde werden tijdens de parabolische vluchten passieve systemen gebruikt. Twee identieke proefopstellingen maakten het mogelijk om twee proefpersonen per vlucht gelijktijdig in te zetten. Een vervangende persoon uitgerust met alle sensoren stond klaar om bij onwel voelen in te springen en fungeerde anders als operator en ondersteuning van de ingezette proefpersonen.
De experimenten verliepen grotendeels volgens plan; slechts eenmaal moest wegens misselijkheid een proefpersoon worden vervangen. Aan het einde van de tien dagen durende campagne toonden de onderzoekers zich zeer tevreden over het verloop.
Gegevensanalyse en toepassingsmogelijkheden
Door de analyse van de gegevens hopen de onderzoekers inzicht te krijgen in de vraag of de training met het exoskelet in gesimuleerde gewichtloosheid een overdracht van het geleerde naar echte gewichtloosheid en daarmee een prestatieverbetering mogelijk maakt. Dit zou kunnen bijdragen aan een betere voorbereiding van astronauten op de uitdagingen van ruimtemissies en hun prestaties onder de extreme omstandigheden van de ruimte te optimaliseren.
Niet alleen de ruimtevaart, maar ook aardse toepassingsgebieden zoals revalidatie kunnen profiteren van de nieuwe technologie. Het in de projecten NoGravEx en GraviMoKo gebruikte en doorontwikkelde exoskelet is oorspronkelijk door het DFKI ontwikkeld voor revalidatietherapie. Door de mogelijkheid van persoonspecifieke gewichtscompensatie kan het systeem lichamelijk beperkte mensen, bijvoorbeeld na een beroerte, nog individueler ondersteunen.
