Микрофоны в ботинках помогут космонавтам не споткнуться на Марсе

Невозможность слышать звук собственных шагов или их приглушенность, по всей видимости, ухудшает проприорецепцию — ощущения положения частей своего тела относительно друг друга и в пространстве — и это может приводить к увеличению рисков падений и спотыканий. К такому выводу пришли ученые, когда обнаружили, что при приглушенных звуках человек, который идет на месте и с закрытыми глазами, уходит от изначальной точки на 14 сантиметров дальше, чем те люди, которые делают то же самое, но слышат все как обычно. Авторы препринта на arXiv.org, считают что это может повлиять на будущие пилотируемые межпланетные миссии: космонавты будут спотыкаться и падать из-за того, что скафандр сильно приглушает звуки окружающей среды, и в том числе звук шагов. Исследователи предлагают это учесть при проектировании скафандров, например, оснастить ботинки космонавтов микрофоном.

Скафандры космонавтов заметно снижают ловкость движений, а также меняют или ограничивают работу органов чувств. Космонавту в скафандре сложнее хватать предметы, диапазон его действий сужен, у него снижены проприорецепторные функции — это ощущения положения частей своего тела относительно друг друга и в пространстве, они помогают человеку совершать точные и скоординированные движения. Помимо того, человек в скафандре иначе, а в чем-то более ограниченно, видит и слышит происходящее вокруг. Все это может повлиять на безопасность миссии и увеличить, например, риск падения космонавта. В частности, во время высадок на Луну в ходе космической программы «Аполлон» астронавты упали 27 раз и 21 раз споткнулись, в том числе причиной тому была и конструкция скафандра.

С момента последней миссии на Луну прошло 50 лет, и за это время ученые смогли определить недостатки и заметно улучшить конструкцию скафандров. Например, было обнаружено, что она не повторяет механику движения голеностопного сустава и не обеспечивает необходимый контакт между стопой и ботинком. Такие проблемы могут сделать выход в открытый космос трудной задачей для космонавтов из-за контактных и усталостных травм. Это и не только ученые и конструкторы учли при создании новых костюмов, например, таких, которые NASA планируют использовать во время полетов на Луну и Марс. Тем не менее, по-прежнему человек в скафандре звуки слышит очень приглушенными, поле его зрения ограничено — космонавт едва видит собственные ноги, у него снижены проприорецепция и ловкость.

Информация от органов чувств, например, звуки, которые многое сообщают нам о внешних объектах, их движении и нашем собственном теле, весьма важны для нашего взаимодействия с окружающей обстановкой. Звук наших шагов помогает понять, на каком расстоянии находится объект и какого он размера, куда движется, к нам или от нас, а также какая под нашими ногами почва (песчаная, твердая, вязкая, неоднородная, скалистая и тому подобное). Соответственно, изменение характера этих звуков отражается на всех наших реакциях. И исследования доказывают это: современные технологии могут изменять и передавать пользователю звуки, связанные с телом, в режиме реального времени и таким образом влиять на восприятие собственного тела и другие перцептивные процессы, а также на мысли и эмоции человека. Однако до сих пор неизвестно, как повышение звуковой проницаемости скафандра отразится на проприорецепторных функциях космонавтов, в том числе в плане риска упасть или споткнуться.

Хосе Беренгерес (Jose Berengueres) из Университета Объединенных Арабских Эмиратов и его коллеги оценили, как и насколько отклоняется работа вестибулярного аппарата в условиях приглушения звуков и без него. Для этого ученые провели исследование с участием 14 взрослых людей, которые не имели никаких патологий в работе вестибулярной системы. Реального скафандра у исследователей не было, поэтому приглушение звука внутри скафандра имитировали с помощью белого шума. Почему авторы сочли такие условия сходными с условиями внутри скафандра, они не уточняют.

В ходе эксперимента участники выполняли шаговую пробу Фукуды — Унтербергера: они делали на месте 50 шагов с закрытыми глазами и вытянутыми вперед руками, в одном случае на них были наушники, издающие белый шум, в другом — нет. При выполнении пробы оценивалось отклонение от изначального местоположения и поворот тела вокруг своей оси (при патологии отмечается отклонение более, чем на один метр, и поворот более, чем на 45 градусов).

Оказалось, что при использовании звуковой изоляции расстояние смещения от изначальной точки было на 14,5 сантиметров больше, чем расстояние смещения в контрольных условиях. Другими словами, люди, которые плохо слышали звуки окружающего мира, и в том числе своих шагов, выполняя шаговую пробу, уходили дальше, чем те, кто слышал все как обычно.

Эти результаты показывают, что приглушенность звуков внешней среды, вероятно, может приводить к нарушениям проприорецепции и увеличению риска падений и спотыканий. На основе этого авторы предполагают, что увеличение звуковой проницаемости скафандра снизит эти нарушения и риски. Но ученые отмечают, что сделать костюм более проницаемым для звуков, например, на Марсе, не простая задача. Для передачи звуков на Марсе сигнал должен быть многократно усилен, потому что звуки, которые мы на Земле слышим с интенсивностью, скажем, равной единице, на Марсе будут слышны с интенсивностью в 85 раз ниже. Однако, если расположить микрофон у почвы, то есть на ботинках, а не на шлеме, то потребуется меньшее усиление. Другими словами, на основе полученных результатов авторы предположили, что космонавты во время миссии на Марс будут меньше падать и спотыкаться, если смогут слышать свои шаги, например, с помощью ботинок, оснащенных микрофоном.

А некоторое время назад, также для того, чтобы снизить риск падений и спотыканий космонавтов, ученые оснастили их ботинки датчиками расстояния. И при возникновении препятствий перед мысом ботинка подошва начинала вибрировать, и таким образом космонавт знал о препятствии до того, как его нога наткнулась на него.

Екатерина Рощина