在空间站遇见量子力学,HoloLens助力NASA远程维护冷原子科学实验

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在量子领域,物质会表现出支持众多现代技术的奇特行为

映维网 2021年10月28日)美国宇航局NASA正在积极研究混合现实技术是否能够为位于太空站的Cold Atom Lab实验室提供维修和升级支持。

Cold Atom Lab是第一个在地球轨道运行的物理实验室。它的尺寸大约为一个小型冰柜,并已承接了通过将原子冷却到接近绝对零度(物质所能达到的最冷温度)来探索原子基本性质的多项实验。超冷原子提供了进入量子领域的窗口(在量子领域,物质会表现出支持众多现代技术的奇特行为)。

正在穿戴微软HoloLens的梅根·麦克阿瑟

2020年,位于太空站的美国宇航员克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)与地球任务小组成员一起在Cold Atom Lab安装了升级的硬件。同时,所述努力证明了重要的一点:对于这种维护任务,无需将实验室拖回地面就可进行。

NASA计划在未来几年对这个实验室进行一系列的额外升级,所以团队正在研究如何提高任务的效率和可行性。在今年夏天,他们成功测试了一种可以帮助实现所述目标的新工具:微软HoloLens。

7月15日,宇航员梅根·麦克阿瑟(Megan McArthur)在一个硬件时使用了这款AR头显,从而允许设施能够生产超冷钾原子,以及自2018年开始运行以来一直使用的铷原子。

像HoloLens这样的混合现实头显像是一副环绕式的太阳眼镜。与虚拟现实头显不同,HoloLens具有将虚拟世界和现实世界混合在一起的透明透镜,从而允许梅根能够看到周围的区域。另外,头显的小型前置摄像头帮助地面团队的成员能够在操作中心的大屏幕中看到她所能看到的一切。相比之下,在2020年与克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)的合作中,研究小组只能从宇航员身后或上方的固定摄像头查看实时视频,而这无法为团队成员提供清晰的硬件认知。

利用微软HoloLens,梅根同时可以看到地面团队在其视场中放置的虚拟图形注释,如文本和箭头。例如,当她查看一系列的缆线时,地面小组可以在她的视场中放置一个箭头,指示她需要拔下的特定缆线。即使她将头移开再移回,箭头依然会指向相同的位置。

VR头显已用于美国空间站上的各种用例,而混合现实同样不例外。但通常,混合现实用例的目的是帮助宇航员更轻松地独自完成任务。所以,Cold Atom Lab硬件更换活动标志着美国首次使用混合现实头显来改善宇航员和地球工程师之间的实时交互。它同时标志着NASA首次使用混合现实来修复空间站的科学实验。这项活动的准备工作历时六个月,由美国宇航局喷气推进实验室、休斯顿约翰逊航天中心和阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心合作完成。

Cold Atom Lab的项目经理卡玛尔·乌德伊里(Kamal Oudrhiri)表示:“我们之所以在空间站上使用这项技术,不仅因为它很有趣,而且因为它可以为我们协助宇航员执行复杂任务提供额外的支持。这项活动完美地展示了Cold Atom Lab和量子科学是如何利用混合现实技术。”

量子力学

量子科学揭示了物理世界的众多非直观特征,例如原子的行为既像固体又像波。其中一些发现导致了我们许多人每天使用的技术的发展,如晶体管和微芯片。

Cold Atom Lab是地球轨道上的第一个量子科学设施。冷却原子会使它们移动得更慢,更容易研究。超冷原子同时可以形成第五种物质状态:玻色-爱因斯坦凝聚态。

在微重力环境中,科学家可以使原子变冷,并对其进行比地球更长时间的研究。这开辟了在地球无法获得的研究途径。通过升级实验室,团队成员可以随着研究的进展添加新的工具和能力,以便他们可以寻找新问题的答案,并进行越来越复杂的实验。

自2018年以来,Cold Atom Lab一直在国际空间站运行。

Cold Atom Lab项目科学家杰森·威廉姆斯(Jason Williams)表示:“这种修复活动使钾气体可以在实验室中进行研究,这将允许科学家能够利用多种气体并在量子化学和基础物理方面进行数十项新实验。我们的目标是帮助Clod Atom Lab成为一个不断发展的科学设施,这样我们就可以在我们的研究基础上快速推进,而且我们无需每一步都建造和发射新设施即可与宇航员合作,并增加新的硬件能力。”

在Cold Atom Lab这样的设施进行硬件升级通常只能由熟悉硬件的人来完成,因为在升级过程中的任何失误可能会影响设备的运行能力。梅根必须围绕着紧凑的精密内部组件展开工作,例如迷宫般的缆线,以及一组精细调谐的激光器。

实验室的未来升级同时涉及空间站宇航员和地面团队成员之间的实时交互。这正是混合现实的尝试令团队感到如此鼓舞的原因。

运载火箭和空间站集成负责人吉姆·凯洛格(Jim Kellogg)评论道:“像这样的任务需要大量的实时指导和地面专家协助,而这正是微软HoloLens非常有用的地方。”

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