Как невесомость влияет на уверенность в принятии решений: исследование в условиях параболического полета

Введение в проблему влияния гравитации на принятие решений

Самой заметной межпланетной целью исследований человечества является Марс, куда уже отправлены беспилотные аппараты, включая вертолет NASA Ingenuity. Пилотируемые космические миссии должны учитывать человеческий фактор, связанный с освоением космоса, особенно влияние различных гравитационных условий на поведение человека, включая процесс принятия решений. Неотъемлемой особенностью принятия решений является неопределенность, которая computational обрабатывается в человеческом мозге и поведении через внутренние априорные представления (priors). Гравитация представляет собой сильное сенсорное априорное знание, которое может влиять на восприятие и cognition.

Неопределенность в человеческом мозге и поведении

Неопределенность — это повсеместная характеристика окружающей среды. Исследования в области когнитивной нейронауки показали, что как нейронные сигналы, так и поведение хорошо описываются различными формальными моделями, интегрирующими неопределенность, включая модели среднего отклонения (mean-variance) и Байесовские框架 (Bayesian frameworks). Эти алгоритмы могут быть встроены в модель predictive coding — вычислительную теорию общей функции мозга. В рамках этой框架 неопределенность разрешается посредством (статистического) вывода. Субъективные отчеты после принятия решения помогают оценить объективные переменные, связанные с неопределенностью.

Роль метапознания

Агенты открыто оценивают свою производительность через метапознание (metacognition) — процесс осмысления принятых решений, который порождает пост-децизионную неопределенность, называемую уверенностью. У здоровых людей субъективная уверенность связана с объективной неопределенностью прогноза. Поскольку гравитация действует как сильное, возможно, внутреннее априорное знание, ее отсутствие может изменить cognition и метапознание.

Человеческое восприятие, вестибулярная система и гравитация

Люди воспринимают и действуют на основе процесса кросс-модальной интеграции информации. Например, и положение тела, и визуальные сигналы используются для локализации цели, но положение лежа вызывает повышенную reliance на визуальные сигналы и может спровоцировать компенсаторный нейронный ответ для преодоления перцептивного несоответствия. Считается, что гравитация возникает из внутренней модели, которая интегрирует мультимодальные inputs.

Вестибулярные сигналы

Визуо-проприоцептивная обработка частично relies на вестибулярные сигналы, передаваемые в мозг из внутреннего уха, которые предоставляют информацию об ориентации головы и движении в гравитационном поле Земли. Гравитация играет якорную роль в человеческом пространственном восприятии, задавая направление вниз через вестибулярную систему. Следовательно, вестибулярная система, подверженная влиянию изменений гравитации, может вызывать перцептивные изменения.

Эффекты измененной гравитации на человека

Гравитация является воплощенным (embodied) априорным знанием, отсутствие которого имеет известное физиологическое impact на человека. Недостаток исследований поведенческих последствий гипо- (и гипер-) гравитации сохраняется. Гипогравитация изменяет восприятие written letters, влияет на восприятие как горизонтальных, так и вертикальных расстояний, а также на визуальное и тактильное восприятие глубины.

Изменения в реальных условиях космического полета

В реальных условиях космического полета возвращающиеся астронавты испытывают изменения в вертикальных суждениях, а исследования эффектов длительных космических миссий выявили нарушения в visuomotor задачах. Считается, что гравитационное априорное знание лежит в основе increased precision downward по сравнению с upward движущимися объектами, что сохраняется даже при столкновении с «естественно» upward движущимся объектом, таким как ракета.

Изменения в обработке неопределенности, вызванные микрогравитацией и гипергравитацией

Несколько исследований explicitly изучали принятие решений в условиях неопределенности при измененной гравитации. Одно исследование обнаружило effects гравитации в оценке time-to-passage, где оценки constant, по сравнению с gravity-congruent, vertical смещением были specifically менее точными, что suggests трудности в интеграции неопределенности второго порядка при оценке percepts вне условий 1 G.

Исследования с неоднозначными фигурами

Неоднозначные фигуры являются идеальными стимулами для оценки обработки неопределенности и использовались для исследования различий в восприятии, induced микрогравитацией. Было обнаружено, что бистабильные percepts более стабильны в условиях микрогравитации, что suggests dampening неопределенности. Кроме того, смещение в сторону данного perceptа неоднозначной фигуры, обычное в условиях normogravity, со временем исчезает на орбите, что suggests, что перцептивная неопределенность weighted по-разному в микрогравитации.

Навигация дронов на основе зрения

Визуальная навигация micro aerial vehicles позволяет роботам ощущать, планировать и выполнять полеты исключительно на основе съемки с бортовой камеры, без reliance на информацию о глобальном позиционировании или другие бортовые sensors. Этот подход особенно важен в новых средах, где информация о глобальном позиционировании недоступна.

Проблема избегания столкновений

Одной из основных проблем как для экспертов-пилотов, так и для автономных дронов на основе зрения является избегание столкновений. Неизвестно, как измененные гравитационные условия повлияют на производительность оператора при принятии точных решений по избеганию столкновений. Поэтому essential исследовать, как измененные гравитационные условия могут повлиять на восприятие собственного движения человеческими операторами во время автономного полета на основе зрения.

Гипотезы исследования

Вопрос принятия решений в условиях неопределенности в исследованиях космического пространства человека был fundamental concern с самых первых дней программы пилотируемых космических полетов. Данное исследование изучало, как изменения гравитации влияют на различные аспекты принятия решений в условиях неопределенности в аналоговой космической среде (параболический полет).

Мы framed наш эксперимент в (частичной)框架 predictive coding, чтобы исследовать роль неопределенности стимула (формализованной как entropy) в поведении.

Результаты наземного эксперимента

Для тестирования эффекта изменений гравитации на принятие решений в навигации дронов были проведены два эксперимента: один в лабораторных условиях на выборке из 22 испытуемых (наземный эксперимент) и один в условиях параболического полета на двух испытуемых (эксперимент в параболическом полете).

Производительность при выполнении задачи

Всего для исследования были recruited 22 добровольца. Рукость оценивалась с помощью Edinburgh Handedness Inventory. Из 22 испытуемых 16 были правшами, 6 — амбидекстрами, 0 — левшами. Все участники были здоровы, без предшествующей истории psychological или неврологических impairments, согласно self-report.

Результаты эксперимента в параболическом полете

В отличие от наземного эксперимента, хи-квадрат тесты на ответы о столкновении показали равномерное распределение между positive и negative predictions столкновения (нет significant difference в частоте) при всех гравитационных условиях. Распределения времени реакции на столкновение и уверенности для всех гравитационных условий follow ожидаемое gamma распределение.

Психометрический анализ

Был проведен психометрический анализ данных параболического полета. Из-за малого количества trials в фазах микрогравитации и гипергравитации мы объединили данные по двум участникам эксперимента и по фактору направления дрона. Затем с помощью bayesian optimization были подобраны психометрические функции для ответов о столкновении для каждого из 3 условий гравитации (normogravity, микрогравитация, гипергравитация).

Обсуждение результатов

Это исследование изучило, как изменения гравитации влияют на принятие решений при имитации навигации дронов человеком на основе зрения. В overall, мы не обнаружили эффекта изменений гравитации на производительность задачи по сравнению с нормальной гравитацией. Однако мы обнаружили, что микрогравитация повышает субъективную уверенность (метакогнитивную оценку производительности), особенно в условиях неопределенности.

Поскольку исследование было ограничено по размеру выборки, эти результаты остаются предварительными и exploratory. Однако, если они будут replicated, эти findings могут иметь (1) реальные последствия для пилотируемых космических полетов и (2) highlight потенциальный пробел, который необходимо решить с помощью automated систем.

Ограничения исследования и будущие направления

Исследование было subject к нескольким ограничениям, общим для аналоговых космических исследований, главным среди которых является малый размер выборки (2 человека), а также, из-за ограниченного количества испытанных парабол (20 на двух участников) и ограниченной длительности эпохи измененной гравитации, малое количество trials, испытанных в условиях измененной гравитации.

Важность изучения принятия решений в космосе

Принятие решений в условиях неопределенности exceptionally важно для пилотируемых космических миссий. Учитывая considerable стоимость выбора wrong option, researchers должны учитывать myriad факторов, влияющих на принятие решений в космосе, включая изоляцию, confinement, лишение сна, stress и изменения гравитации.

Изучение поведенческих реакций человека на неопределенность в параболическом полете informs об уникальном вкладе гравитации в способности человека принимать решения. Будущие исследования могут further изучить связанные измерения принятия решений, включая affect, интероцепцию и внимание.