NASA正研究用混合现实技术升级国际空间站的冷原子物理实验室

美国宇航局（NASA）正在研究混合现实技术是否可以帮助国际空间站上的先进冷原子物理实验室（CAL）的维修和升级。NASA的冷原子物理实验室是在地球轨道上运行的第一个物理实验室。

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冷原子物理实验室大约有一个迷你冰箱那么大，它承载着多个实验，通过将原子冷却到接近绝对零度（物质可以达到的最冷温度）来探索原子的基本性质。超低温原子提供了一个进入量子领域的窗口，在那里物质表现出奇怪的行为，是许多现代技术的基础。

2020年，NASA宇航员Christina Koch在国际空间站延长逗留期间，与地球上的任务团队成员合作，在冷原子实验室安装升级的硬件。除了为这个新颖的设施增加新的功能外，这项工作还证明了另一件事：这种维护可以在不需要将实验室拖回地球的情况下进行。

NASA计划在未来几年内对冷原子实验室进行一系列额外的升级，因此任务小组正在调查如何使这些活动更加有效。今年夏天早些时候，他们成功地测试了一个可以帮助实现这一目标的新工具：微软Hololens，一个混合现实头显。7月15日，宇航员 Megan McArthur 在更换冷原子实验室内的一个硬件时使用了这种头显，使该设施除了自2018年开始运行以来一直使用的铷原子外，还能生产超冷的钾原子。

像HoloLens这样的混合现实头显看起来像包裹性的太阳镜，与虚拟现实头显（产生完全的虚拟环境）不同，HoloLens有透明的镜片，将虚拟和现实世界融合在一起。这使 McArthur能够看到她周围的区域，设备上的一个小型前向摄像头使在南加州美国宇航局喷气推进实验室地球轨道任务操作中心的大屏幕上观看的冷原子实验室团队成员能够看到她所看的东西。相比之下，在2020年Christina Koch进行的活动中，团队只能从宇航员身后或上方的固定摄像机中看到实时视频，使他们对硬件的看法大多被遮挡。

McArthur还可以看到冷原子实验室操作团队在她的视野中放置的虚拟图形注释，如文字和箭头。例如，当她看着一系列电缆时，任务小组可以在她的视野中放置一个箭头，指向她需要拔掉的特定电缆。即使她把头移开再移回来，箭头仍会指向同一个电缆位置。

虚拟现实头显已经被用于空间站上的各种应用，混合现实也被用于少数情况。但通常情况下，这些活动的目标是使宇航员更容易单独完成一项任务。冷原子实验室的硬件更换活动标志着首次使用混合现实头显来改善宇航员和地球上的工程师之间的现场互动；它也标志着首次使用混合现实技术来修复空间站上的科学实验。这项活动的准备工作历时6个月，由美国宇航局的JPL、休斯顿的约翰逊航天中心和阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心合作完成。

“冷原子实验室正在投资在空间站上使用这项技术，不仅仅是因为它引人入胜，还因为它可以为我们依靠宇航员执行的这些复杂任务提供额外的能力，”冷原子实验室在JPL的项目经理Kamal Oudrhiri说。“这项活动是冷原子实验室和量子科学如何利用混合现实技术的完美展示。”

量子力学

量子科学揭示了物理世界的许多非直观特征。这些发现中的一些导致了我们许多人日常使用的技术的发展，如晶体管和微芯片。

冷原子实验室是地球轨道上的第一个量子科学设施。冷却原子使它们移动得更慢，使它们更容易被研究。而且超冷原子还可以形成第五种物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态 ，它在宏观尺度上显示典型的微观量子特征。

在微重力环境下，科学家们可以使原子变得更冷，并比在地球上研究它们的时间更长。这开辟了在地面上无法获得的研究途径。通过使冷原子实验室可升级，团队成员可以随着研究的进展增加新的工具和能力，因此他们可以寻求新问题的答案并进行越来越复杂和有影响的实验。

冷原子实验室的项目科学家 Jason Williams说：“这项维修活动使钾气也能在冷原子实验室中进行研究，这将使科学家们能够利用多物种气体进行量子化学和基础物理学的数十项新实验，在这些气体中，原子以有趣的方式在只有在微重力下才能实现的超低温度下相互作用。我们的目标是让冷原子实验室成为一个不断发展的科学设施，这样我们就可以快速建立我们的研究，并与宇航员合作增加新的硬件能力，而不需要每一步都建立和发射新的设施。”

像冷原子实验室这样的设施的硬件升级通常只能由对硬件非常熟悉的人完成，因为在这个过程中的一个错误步骤可能会影响冷原子实验室的运行能力。 McArthur必须在精细、紧密的内部组件周围工作，包括十几张电子卡、迷宫般的电线和电缆，以及用于在密封的真空室内将原子冷却到近乎绝对零度的微调激光器等，同时用红外摄像机观察它们。

冷原子实验室的未来升级还将涉及空间站上的宇航员和地面上的团队成员之间的实时互动。这就是这次混合现实的试验性使用对团队来说是如此鼓舞人心的原因。

负责管理这项任务的JPL冷原子实验室的运载火箭和空间站集成负责人 Jim Kellogg说：“像这样的任务需要与地面上的专家进行大量的实时指导，而这正是HoloLens可能非常有用的地方。”

关键词： 科学探索 NASA正研究用混合现实技术升级国际空间站的冷原子