Этот человек в одиночку совершил самое глубоководное погружение в истории
Дайверы всегда были одной из самых востребованных моделей часов. Да, большинство коллекционеров и ценителей перестали обращать внимание на пометки «300 метров» или «600 метров», но для брендов, создающих профессиональные часы для спортсменов, это не какие-то там цифры.
Когда в 1993 году Omega показали Seamaster, способные выдержать погружение на 300 метров, это произвело фурор (вообще швейцарцы делают дайверские часы с 1930-х годов). Но для 2019-го это едва ли достижение. Поэтому американский исследователь и бизнесмен Виктор Весково в рамках экспедиции Five Deeps, которая завершилась в мае, совершил одиночное погружение к самой глубокой точке планеты Земля.
Сперва эхолот Five Deeps опустился на дно восточной части Бездны Челленджера в Марианской впадине – глубина 10 980 метров – и сделал снимки рельефа океанического дна. После того, как зона погружения была исследована, Виктор на борту глубоководного аппарата DSV-батискафа Limiting Factor в одиночку совершил погружение. Теперь Весково не только собственнолично покорил Эверест, но и Марианскую впадину. На погружение ушло 12 часов. Это абсолютный мировой рекорд – на такую глубину в одиночку еще не опускался никто.
Виктор Весково
Пока Виктор опускался на дно впадины внутри батискафа, часы Omega Seamaster Planet Ocean Ultra Deep Professional были прикреплены снаружи аппарата к одной из его ног. 28-миллиметровый корпус из титана Grade 5 (такой используют для космических кораблей) и сапфировое стекло выдержали погружение на глубину в почти 11 000 метров. Но и это не предел. Параметры модели позволяют опуститься в ней на глубину в 15 000 метров. Чтобы часы выдержали такое давление, мастера Omega взяли за основу коническую форму люков батискафа, чтобы нагрузка на корпус распределялась равномерно. Для прочной и гибкой фиксации сапфирового стекла использовали материал Liquidmetal. Omega проходят сертификацию не в COSC, а в METAS – Швейцарском федеральном институте метрологии. После серии испытаний Seamaster Planet Ocean Ultra Deep Professional были признаны профессиональным хронометром. Помимо этого в Барселоне проверили герметичность часов, проведя испытание при давлении, соответствующему глубине в 15 000 метров.
В рамках миссии Five Deeps Весково опустится на дно в самых глубоких точках планеты во всех пяти океанах. Часы Omega Seamaster Planet Ocean Ultra Deep Professional будут сопровождать его при каждом погружении. Кажется, Виктор обеспечил себе место в истории дайвинга и прихватил с собой швейцарский хронометр на страницы учебников.
Вероятно, вам также будет интересно:
Хронометр – самый точный прибор для измерения времени. Почему?
Что за странные часы у Канье Уэста?
Какую ошибку допустили Rolex в этих часах?
Что такое «тропический» циферблат, и почему он может стоить миллион долларов?
Как начать коллекционировать часы?
Фото: Omega; Getty Images
Часто проверяете почту? Пусть там будет что-то интересное от нас.
23 января 1960 года Жак Пикар и его друг лейтенант ВМС США Уолш вдвоём на модернизированном батискафе Триест опустились в МариАнскую впадину или жёлоб на глубину 10919 метров.. Название впадина по находящимся около Марианским островам в Тихом океане.. Батискаф Триест был создан по проекту Огюста Пикара, отца Жака Пикара.. Погружение составляло 5 часов, подъём — 3 часа, пребывание на дне — около 20 минут.. На дне Пикар и Уолш обнаружили живые организмы, которые там жили: донную рыбу и рака.. После подъёма на иллюминаторе сферы, где находились исследователи обнаружили трещину.. Так что на максимальную глубину опускались два человека.. Самая большая глубина, на которую погружался человек это в батискафе в Мариинскую впадину глубиной 11912 метров. Первого человека звали Жак Пикар, а батискаф Триест. 1) Впадина называется Марианской, а не Мариинской Глубина погружения человекаКогда появилась возможностью погружаться на глубину. появилось и стремление стать в этом деле лучшим. Идет постоянная борьба за рекорды, не смотря на негативное влияние, которое оказывает глубина на человека. Например, из-за давления воды возникает боль в ушах и есть угроза того, что барабанная перепонка лопнет. Хотя с этой проблемой профессиональные дайверы справляются налегке. Главное, выровнять давление с помощью глотательных движений. Кроме того, с каждым метром глубины давление воды возрастает, а объем воздуха в легких уменьшается. Из-за этого пловцы часто неправильно оценивают запасы кислорода, что впоследствии может сыграть злую шутку с дайвером. Да и подъем из глубины имеет свою специфику и трудности. Но, не смотря на это, битва за рекорды продолжается. Максимальная глубина погружения человекаПервое погружение на глубину в сто метров даже не было занесено в спортивные рекорды. Но имена дайверов, которые это сделали, знают все ныряльщики. Это Энцо Майорка и Жак Майоль. Кстати, именно они стали прообразами главных героев известного фильма Люка Бессонна «Голубая бездна». Отметка в 100 метров давно перестала быть рекордной. Во фридайвинге самое глубокое погружение совершил австрийский пловец Герберт Ницш. Его рекорд в 2001 году составил 214 метров. Кстати, Ницша зовут легендой фридайвинга. За всю свою жизнь в этом виде погружения он устанавливал мировые рекорды 31 раз. Среди женщин рекордсменкой в погружении без акваланга стала американка Таня Стритер. В 2002 году она опустилась на глубину в 160м. Мировой рекорд погружения с аквалангом принадлежит французскому дайверу Паскалю Бернабе, который, кстати, в повседневной жизни учитель младших классов. В июле 2005 года он меньше чем за 10 минут погрузился на глубину в 330 метров. Зато всплытие тянулось 9 часов. К этому результату дайвер готовился 3 года. Хотя, возможно, это и не максимальная глубина погружения человека. Ведь многие результаты не фиксируются и официально не озвучиваются. Например, вряд ли кто-то расскажет в прессе про действия военных аквалангистов или возможности их специального снаряжения. А вообще, глубина всегда будет манить к себе человека, главное, не потерять голову от ее прелестей и не забыть о безопасности. какая максимальная глубина погружения человекаОльга Лоскутова Ученик, закрыт 5 лет назад Aleksandr Просветленный 5 лет назад 1.Ныряльщик из Монако Пьер Фролла установил новый мировой рекорд погружения без акваланга, сообщила пресс-служба княжества Монако. 2. Новый мировой рекорд глубины погружения с аквалангом установил британец Марк Эллиат. Ныряльщик сумел достичь отметки 313 метров. Это на пять метров глубже предыдущего рекорда, установленного 6 ноября 2001 года его соотечественником Джоном Беннетом. RIPvanWINKLE Искусственный Интеллект 5 лет назад С ядром на ногах до дна Марианской впадины. Весёлый ведмедик Мыслитель 5 лет назад 11022 м в батискафе Триест на дно Марианской впадины. Гордон Шамуэй Гуру 5 лет назад Зависит от снаряжения. артём тимошенко Ученик 2 месяца назад до дна марианской впадины Самое глубокое погружениеВ связи с тем, что технология работы портала TOMSK.FM требует предустановленного Adobe Flash Player. мы настоятельно рекомендуем Вам загрузить последнюю версию по ссылке. Это плагин для браузеров, позволяющий проигрывать Flash-ролики. Без этой программы браузер будет некорректно отображать веб-страницы и интерактивные веб-элементы, разработанные по технологии Flash. ВАЖНО! Перед установкой плагина разработчики рекомендуют деинсталлировать любую другую установленную версию с помощью специальной утилиты. Скачать утилиту для удаления Adobe Flash Player можно отсюда: uninstall_flash_player.exe В январе 1960 года компания Rolex приняла участие в историческом погружении батискафа «Триест» ВМС США на дно Марианской впадины. Закрепленные на батискафе часы Rolex побывали на глубине 10 916 метров. 12788 Credo 12:32 04.09.2010 Батискаф «Мир-1» установил новый рекорд погружения на БайкалеПомниться, в прошлом году писали, что он чуть ли не на 1670 опустился. А ту оказывается только сейчас 1640 метров достиг. А вообще стоило бы почитать литературы и вы бы узнали, что глубина 1641 м встречалась. Но вроде позднее на батискафах спускались и эту глубину установить не смогли. Поэтому и осталась глубина 1637 метров. Вероятно, скоро выйдет фильм «Большое путешествие вглубь Байкала. Какова же глубина?» новость какая-то странная. то что уже известно, выдают за первооткрытие. Выходы нефти в озере известны уже очень давно. И про глубуины тоже непонятки, то одно, то другое. или в каждом сезоне своя глубина — максимальная? Лучше бы рассказали о новых открытиях или наблюдениях, если таковые есть. Это действительно интересно. вот достояние — путин на мирах совершил погружение. тю Глубоководный аппарат «Мир-1» 29 июля 2008 г.установил рекорд по глубине погружения в пресной воде. Батискаф опустился в воды озера на 1680 метров. Погружение показало, что Байкал глубже, чем считалось ранее. До этого самая большая глубина озера — 1637 метров — была зафиксирована у восточного берега острова Ольхон. «Мир-1» пилотирует заместитель начальника экспедиции, заведующий лабораторией глубоководных обитаемых аппаратов Института океанологии РАН Анатолий Сагалевич. На борту также находится президент Бурятии Вячеслав Наговицин. Погружения проходят между мысами Ижимей и Ухан. Рекорд в минус. ураааааааааааа. Тайм-аут для омуляКак спасти один из символов Байкала и не ущемить интересы населения. Первый снег в Иркутске16 отзывов
Источники: www.bolshoyvopros.ru, divinglive.ru, otvet.mail.ru, tomsk.fm, www.irk.ru |
416 метров ниже уровня моря — «Красная звезда»
Просмотров: 1 827
Одним из тех, кто совершил рекордное для страны погружение, был капитан 2 ранга Ринат Гизатуллин.
Капитан 2 ранга Ринат Гизатуллин.Осенью 2018 года трое российских водолазов установили флаг страны в Японском море на глубине 416 метров. Рабочая зона этих специалистов – сотни метров под водой. В нашей стране, да и вообще в мире людей, побывавших на подобных глубинах, меньше, чем космонавтов. По сложности и опасности такие погружения сопоставимы с выходом в открытый космос. Спуск на глубину, где давление составляет почти 50 килограммов на 1 квадратный сантиметр, уже само по себе подвиг. Кто же эти парни, совершившие погружение на ранее неизведанную глубину? С чем акванавтам-испытателям пришлось столкнуться?
Им подвластна
морская стихия
За ответом на эти вопросы я отправилась в город Ломоносов Ленинградской области, где располагается Научно-исследовательский институт спасания и подводных технологий ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия» (бывший 40-й ГНИИ МО РФ). Именно там служит один из тех героев – старший группы акванавтов капитан 2 ранга Ринат Гизатуллин.
В день моего приезда в НИИ он как раз руководил очередными водолазными спусками. И пока длились подводные работы, мне посчастливилось соприкоснуться с историей института и посетить музей. В летописи НИИ спасания и подводных технологий, расположенного на берегу Финского залива, немало славных страниц. Именно его специалисты разрабатывают и апробируют образцы снаряжения для водолазов и средства спасения подводников, трудятся над созданием и модернизацией поисково-спасательной техники и спасательных подводных аппаратов, занимаются судоподъёмом и покорением ранее недоступных глубин.
Впервые в истории страны на большой глубине был осуществлён выход человека в водную среду в открытом море
Показательно, что фамилия героя этой публикации неоднократно встречается на стендах музея. Кроме всевозможных испытаний техники и снаряжения, Ринату Гизатуллину доводилось несколько раз доставать из-под воды взрывные устройства. Он имеет высшую квалификацию в своей профессии – специалист дважды признавался лучшим водолазом России, на его счету более 30 рационализаторских предложений, около 20 научных статей и 3 патента на изобретения в области водолазного дела.
– Учтите, что Ринат Саматович сдержанный и скромный. Он не любит рассказывать о своих достижениях, – улыбаясь, предупредил меня заместитель начальника НИИ спасания и подводных технологий капитан 1 ранга Сергей Авдеев.
– Это очень грамотный, трудолюбивый офицер с колоссальным опытом подводных работ, профессиональный водолаз-испытатель и водолаз-глубоководник, – продолжил он аттестовать Гизатуллина. – К тому же хороший семьянин: у него четверо детей. В общем, со всех сторон отмечен положительно.
Рекордсмены
морских глубин
Предваряя мой рассказ, отмечу, что в 1995 году специалистами Научно-исследовательского института в Ломоносове впервые в России были совершены погружения на 500 метров в гидробарокамере. В ходе экспериментов над акванавтами-испытателями провели ряд научных опытов и медицинских наблюдений, позволивших изучить проблемы пребывания человека на сверхглубинах. За эти экспериментальные погружения его участникам капитану 1 ранга Валерию Сластену и капитану 2 ранга Анатолию Храмову было присвоено звание Героев России.
Рекордность же погружения на 416 метров, в котором участвовал Ринат Гизатуллин, состоит в том, что впервые в истории страны был осуществлён выход человека в водную среду в открытом море. А это опасно вдвойне: если в барокамере человек почувствует себя плохо, ему на помощь придёт врач, а в морской глубине акванавт надеется только на себя. Ранее в Военно-морском флоте СССР максимальная глубина, достигнутая при глубоководных водолазных спусках, составляла 307 метров.
Подготовка
к уникальному погружению
Как пояснил капитан 2 ранга Ринат Гизатуллин, это был не просто спуск ради рекорда. Главным для акванавтов стало испытание и освоение глубоководного водолазного комплекса ГВК-450. В его разработке участвовал и мой герой. ГВК-450 – один из основных элементов спасательного судна Тихоокеанского флота «Игорь Белоусов», при помощи которого и состоялось рекордное погружение. Именно благодаря этому комплексу российские военнослужащие смогут оказывать помощь аварийной подлодке, подводникам и иметь возможность погружаться на глубину до 450 метров.
Водолазов из спасательного судна «Игорь Белоусов» и 328-го экспедиционного аварийно-спасательного отряда из Ломоносова, которые участвовали в рекордном спуске, Гизатуллин знал давно. Все они приезжали в научно-исследовательский институт на обучение и отработку профессиональных навыков.
А в 2015 году группа побывала в Австралии с целью получения дополнительного опыта и ознакомления с зарубежной техникой в международной школе водолазов. Попасть туда было непросто, отмечает капитан 2 ранга. Сначала иностранные коллеги оценили подготовку российских водолазов. Стоит отметить, что учёба в школе длится полгода, но, убедившись в высоком уровне знаний наших моряков, преподаватели учебного заведения разрешили многое сдать экстерном. В итоге после трёхмесячных курсов всем российским акванавтам вручили международные сертификаты водолазов-глубоководников.
В рамках освоения глубоководного водолазного комплекса и подготовки к рекорду весной 2017 года были проведены водолазные спуски на глубины до 120 метров. А 30 октября 2017 года состоялось погружение на 317 метров с выходом на грунт в подводной акватории глубоководного полигона Тихоокеанского флота.
До рекордного спуска максимальная глубина, освоенная Ринатом Гизатуллиным в барокамере, составляла 180 метров. А в морских условиях водолазный специалист погружался на глубину до 120 метров. Конечно, ему хотелось «сходить под воду» и на 317 метров, но ему, как наиболее опытному, поручили руководство спусками.
– Для меня руководить водолазными работами – самое сложное, ведь это большая ответственность за жизни людей, – поясняет капитан 2 ранга. – На погружении в 416 метров спуском командовал начальник поисково-спасательной службы «Игоря Белоусова» капитан-лейтенант Александр Бахметьев. Представляю, какие чувства в тот момент он испытывал, сам ведь неоднократно бывал на его месте.
До последнего дня было неизвестно, кто именно пойдёт на глубину 416 метров, вспоминает Гизатуллин. Сначала у кандидатов выясняли желание, а затем проводили жесточайший медицинский отбор. По словам Рината Гизатуллина, к здоровью водолазов и без того предъявляются серьёзные требования, а к рекордному погружению их ужесточили ещё больше. За несколько дней до начала спуска водолазов обследовали по три раза в день. Даже насморк мог стать причиной отстранения от погружения.
Гизатуллину предложили снова стать командиром спуска. Однако с тем, что он не побывает на такой глубине, водолазный специалист не мог смириться. Ещё за год он начал готовить себя физически: пробежки, закаливание, плавание стали неотъемлемой частью его рабочего расписания.
– Мне на тот момент было 46 лет – я был старше всех остальных. И требования врачей ко мне, как к участнику погружения, из-за этого предъявлялись серьёзнее. По физическим качествам я не должен был уступать молодым, – вспоминает капитан 2 ранга Ринат Гизатуллин.
В последний день перед спуском объявили участников рекордного погружения. Ими стали: начальник подводно-технических работ экспериментальной научно-технической базы НИИ спасания и подводных технологий капитан 2 ранга Ринат Гизатуллин, старший инструктор-водолаз группы подводно-технических работ 328-го экспедиционного поисково-спасательного отряда (г. Ломоносов) старший мичман Алексей Киселёв, инструктор-водолаз поисково-спасательной службы спасательного судна «Игорь Белоусов» старшина 1-й статьи Андрей Кожевников. Старшего мичмана Дмитрия Лысенко с этого же судна назначили резервным водолазом.
Штурм глубины
Это не водолаз, это акванавт.27 октября 2018 года, перед заходом акванавтов-испытателей в барокамеру, главный инспектор водолазной службы поисковых аварийно-спасательных работ Главного штаба Военно-морского флота капитан 1 ранга Евгений Удалов задал всем участникам погружения один-единственный вопрос:
– Если кто-то сомневается в своих силах или кто-то хочет покинуть проект, сделайте это сейчас.
Тут уместно отметить, что водолазы – единственная категория военнослужащих, кто вправе отказаться от выполнения задачи без объяснения причины. Однако в тот раз таких не оказалось.
Четверо акванавтов зашли в барокамеру – помещение, похожее на большую бочку, куда под давлением закачивают воздух, создавая условия, подобные погружению на глубину. Организм водолазов испытывает всё тоже самое, что и при глубоководных спусках. Однако человек при этом находится в сухом помещении без снаряжения, с возможностью отдохнуть, принять пищу и душ.
Перед входом в барокамеру водолазы прошли процедуру дезинфекции, ведь в условиях замкнутого пространства под давлением быстро развиваются микробы.
Компрессия до отметки в 400 метров длилась двое суток, вспоминает Ринат Гизатуллин. В это время при помощи приборов, работающих даже под давлением, их дистанционно обследовали военные врачи – начальник кафедры подводной физиологии полковник медслужбы Дмитрий Зверев и начальник медицинского отдела подполковник медицинской службы Дмитрий Реймов.
– На глубине чистый кислород или воздух губительны для организма, – поясняет капитан 2 ранга Гизатуллин. – Поэтому специально создаются дыхательно-газовые смеси. На грунте в 416 метров мы дышали смесью 0.8 процента кислорода (в воздухе его 20,8 процента), немного азота, а остальное – гелий.
На глубинах от 180 метров может возникнуть одно из профессиональных водолазных заболеваний: нервный синдром высоких давлений. Проще говоря, это пагубное воздействие гелия: человек становится неадекватным, перестаёт понимать, что происходит. Для выявления этой болезни акванавты писали диктант. Через шлюз исписанные листы отдают военным врачам, которые сверяют почерк акванавтов с тем, что был до погружения. Изменений нет – значит всё идёт как надо.
По сложности и опасности такие погружения сопоставимы с выходом в открытый космос
29 октября состоялся выход в водную среду. Трое акванавтов зашли в водолазный колокол. Он доставил их до отметки в 400 метров. Гизатуллина, как самого опытного глубоководника, назначили оператором колокола. Именно он управлял его элементами, а в случае аварийной ситуации обязан был помочь водолазам.
– Спуск колокола с борта судна до грунта длился около 20 минут, за это время я помогал Алексею Киселёву и Андрею Кожевникову надевать снаряжение. Без посторонней помощи это невозможно, – вспоминает Гизатуллин. – Было очень холодно, гелий в 25 раз теплопроводнее воздуха. Из-за этого дрожали руки, и я долго возился с первым шлемом. Удивил меня своим спокойствием Андрей Кожевников: я видел, что ему было холодно, как и нам, но он ещё умудрялся нас подбадривать.
Флаг Российской Федерации на отметке в 416 метров развернули Андрей Кожевников, который участвовал в погружении и на 317 метров, и Алексей Киселёв.
– Как я уже говорил, это был спуск не просто ради рекорда, – говорит Гизатуллин. – Основная работа на глубине заключалась в имитации оказания помощи аварийной подлодке. Общее время пребывания на грунте составило примерно 3 часа.
Но на этом погружение ещё не считалось оконченным. После того, как водолазный колокол пристыковали к барокамере, акванавтам предстояла декомпрессия длиной в 18 суток. Если не соблюсти режимы декомпрессии, глубоководник погибнет.
Ещё один интересный факт: из-за того, что гелий, которым дышали военнослужащие, обладает свойством изменять голос, на протяжении двух недель водолазы-испытатели не могли общаться друг с другом, поскольку речь под давлением менялась до неузнаваемости.
– На поверхности стоял специальный корректор речи, поэтому с командой переговариваться получалось, – вспоминает Гизатуллин. – А мы же писали друг другу записки. В свободное время читали книги, разгадывали кроссворды, играли в настольные игры, иногда просили газеты, чтобы следить за обстановкой в мире.
К тому же гелий, как мы уже упоминали выше, обладает высокой теплопроводностью, из-за этого специалистам на судне приходилось постоянно следить за влажностью и температурой в барокамере. Тяжело было и без активного движения, говорит водолаз-глубоководник. Помещение, где они находились, было небольшим: жилой отсек длиной 3,5 метра и санитарно-бытовой в 2,5 метра. Пищу получали через шлюзы барокамеры. Однако насладиться ею не получалось, отмечает Ринат Саматович. Из-за давления изменялись и вкусовые рецепторы: например, хлеб по вкусу напоминал пластилин.
– Каждые три дня мы проводили уборку помещения с помощью специального раствора из перекиси водорода, чтобы не развивались микробы. По этой причине врачи запретили нам бриться до выхода из барокамеры. Я впервые отрастил внушительную бороду, – рассказывает Гизатуллин. – Также у нас были постоянные тренировки: командир спуска даёт вводные, а нам необходимо действовать в соответствии с ними. Например, что мы должны делать в случае пожара в отсеке или резкого падения давления.
Благодаря слаженной работе специалистов разного профиля было установлено 5 рекордов Российской Федерации, 9 рекордов Министерства обороны и Военно-морского флота
После выхода глубоководников из барокамеры им вручили поздравительную телеграмму главнокомандующего ВМФ адмирала Владимира Королёва, в которой он от имени военного совета Военно-морского флота поздравлял экспериментальную группу водолазов, экипаж спасательного судна «Игорь Белоусов», представителей промышленности с успешным освоением глубоководного водолазного комплекса ГВК-450 и достижением национального рекорда Российской Федерации. «Их мужество и профессионализм позволили возродить в Военно-морском флоте школу акванавтов-спасателей», – особо подчеркнул главнокомандующий. Благодаря слаженной работе специалистов разного профиля было установлено 5 рекордов Российской Федерации, 9 рекордов Министерства обороны и Военно-морского флота. В их числе два рекорда глубины водолазного погружения с выходом в водную среду и выполнением практических водолазных работ, рекорд глубины действий по оказанию помощи аварийной подлодке, рекордное количество водолазов, одновременно пребывающих под давлением.
Dum spiro, spero
На всём протяжении беседы о себе водолазный специалист практически не говорил, объясняя, что в рекордном погружении участвовала именно команда, без которой у него ничего бы не получилось.
Сейчас в это сложно поверить, но погружаться на сверхглубины Ринат Гизатуллин, выбирая для себя профессию, не планировал. Военным решил стать по примеру отца: офицера ракетных войск. Из-за любви к спорту Ринат со школьных лет готовился поступать в Военный институт физической культуры, однако не прошёл по конкурсу.
– Я уже собрался забирать документы, как мне вдруг предложили пойти в Высшее военно-морское инженерное училище имени Ф.Э. Дзержинского в Санкт-Петербурге. Наверное, учли мои хорошие оценки, отличное здоровье и неплохие физические показатели, – вспоминает Гизатуллин.
В высшем военно-морском инженерном училище у Рината даже не поинтересовались, на какой факультет он хотел бы попасть. Сразу отправили на специальность, связанную с поисковыми и аварийно-спасательными водолазными работами кораблестроительного факультета. Объяснили, что, несмотря на обилие желающих, по здоровью и физической подготовке проходят немногие.
– У нас преподавали, выпускники этого же учебного заведения, внёсшие большой вклад в водолазное дело: Герои Советского Союза Александр Ватагин и Леонид Солодков, Герой России Анатолий Храмов, – с гордостью в голосе подчёркивает акванавт.
Кстати, если проследить путь перечисленных им людей, то высокие звания Героев они получили, будучи специалистами 40-го НИИ, в котором впоследствии было суждено служить и Гизатуллину.
– Само погружение под воду чуждо человеку. Поэтому после первого водолазного спуска мои эмоции от того, что я могу, способен работать на глубине, было трудно выразить словами, – говорит капитан 2 ранга. – Водолазы не наблюдают подводных красот, как дайверы. Это действительно тяжёлая физическая работа, которой зачастую приходится заниматься в холодной и мутной воде, где дальше вытянутой руки ничего не видно.
Водолазов объединяет, роднит один девиз: dum spiro, spero. В переводе с латинского это означает: «Пока дышу, надеюсь…». Каждое погружение для них – это спуск в неизвестность. И пока они могут дышать под водой, рискуя собой, у попавших в беду теплится надежда на спасение.
Кристина УКОЛОВА, «Красная звезда»
Ломоносов,
Ленинградская область
Глубина ныряния без акваланга. Глубина погружения человека
Каждый новый рекорд задержки дыхания под водой заставляет нас удивляться, как такое возможно. Обычному человеку бывает очень трудно не дышать дольше нескольких секунд. А тренированные ныряльщики способны прекращать дыхание на минуты. Подобные достижения — наглядное доказательство того, что пределы человеческих возможностей еще совсем не изучены.
Ныряние с аквалангом
Пытаясь обеспечить себе возможность долгого пребывания под водой, люди стали придумывать всяческие приспособления. На сегодня наиболее распространенным является оборудование, которое в русскоговорящих странах именуют аквалангом. На самом деле «Aqualung» — это название фирмы и выпускаемого ею снаряжения. Само же оборудование для ныряния в западном мире обозначают термином «СКУБА» («SCUBA»). Это аббревиатура английской фразы «автономный аппарат для подводного дыхания» («self-contained underwater breathing apparatus»).
Первые документальные свидетельства об изобретении подводных дыхательных устройств датируются примерно серединой 19 века, хотя чертежи подобных приспособлений создавал еще Леонардо да Винчи. Акваланг в том виде, в каком мы его знаем сегодня, придумали в 1943 году французы Жак-Ив Кусто и Эмиль Ганьян. Это ими созданная фирма называется «Aqualung». С тех пор мастерами подводного плавания был установлен не один рекорд погружения с аквалангом.
Автором последнего на сегодня достижения стал египтянин Ахмед Габр. В сентябре 2014 года ему удалось достичь отметки 332,4 м ниже поверхности воды. Прошлый рекорд был превзойден чуть больше чем на 2,5 м. Вся процедура заняла у египтянина 14 часов. Подавляющая часть этого времени была потрачена на безопасный медленный подъем.
Под водой без акваланга
Дышать под водой без акваланга тоже можно. Еще в древности люди использовали устройство, которое принято называть водолазным колоколом. Это некая перевернутая пустая емкость, например бочка или ведро. При вертикальном погружении давление внутри такого сосуда соответствует давлению окружающей его воды, а образующееся при этом воздушное пространство позволяет какое-то время дышать. Считается, что при помощи такого приспособления проводил подводную разведку еще Александр Македонский в 4 веке до н.э. С древнейших времен знали, как дышать под водой с помощью подобного сосуда, и ловцы жемчуга, и искатели сокровищ с затонувших кораблей.
Водолазные колокола, только уже специально созданные, используют до сих пор. Кроме того, ученые продолжают искать новые способы погружения без акваланга: разрабатывают искусственные жабры, придумывают материалы и устройства, способные выкачивать кислород из воды. Тем временем есть много любителей подводного плавания, которые практикуют погружение без каких-либо вспомогательных средств — фридайвинг (от англ. free — свободно, dive — нырять).
Фридайвинг и его герои
Главное умение фридайверов — длительная задержка дыхания. Тренируя свой организм, они добиваются того, что могут нырять, обходясь без воздуха, на невероятные глубины.
Всемирно известными фридайверами, показавшими миру, на сколько метров можно углубиться, всего лишь задержав дыхание, были итальянец Энцо Майорка и француз Жак Майоль. Первый из них в 1960-х годах опроверг распространенную тогда теорию, что человеческий организм не может существовать в морской пучине. Физиологи были уверены: давление на отметке 50 м ниже поверхности воды разрушит грудную клетку и разорвет легкие. Майорка покорил глубину 51 м, открыв себе и другим ныряльщикам новые горизонты.
Майоль первым из фридайверов опустился на 100 м. Ученые взялись исследовать его организм, чтобы понять, как такое возможно. Однако выяснили только то, что природные данные француза не могли позволить ему нырнуть глубже 45 м. А Майоль продолжал уходить все глубже. Свой новый рекорд погружения он установил в 56 лет, достигнув — 105 м.
В истории свободного ныряния было еще немало героев, доказавших, что можно достичь многого из официально недостижимого. Сегодня существует целый ряд дисциплин во фридайвинге, рекордами отмечена каждая из них.
Рекорды свободного погружения
Самой сложной дисциплиной в свободном нырянии считается «Постоянный вес без ласт». Фридайвер задерживает дыхание, уходит на глубину и затем поднимается на поверхность без помощи каких-либо вспомогательных средств (груза, троса и т. п.), используя только собственный вес и силу своих мышц. Эта дисциплина требует от ныряльщика отточенной координации движений и полного контроля над собственным телом. Необходимо точно знать, как долго получится задержать дыхание, чтобы вовремя остановиться и успеть вернуться, прежде чем кислородное голодание доведет до обморока. Мировой рекорд погружения в «Постоянном весе без ласт» среди мужчин принадлежит новозеландцу Уильяму Трабриджу. В 2010 году он нырнул на 101 м. Среди женщин в этой дисциплине, как и в ряде других, нет равных россиянке Наталье Молчановой. В 2015 году она преодолела отметку 71 м.
Почти во всех дисциплинах фридайвинга отсчитывается дистанция, которую удалось преодолеть на одном вдохе в глубину или в длину. И только в «Статическом апноэ» засекается время нахождения под водой. В этой дисциплине практикуется так называемая гиперинфляция легких чистым кислородом, когда спортсмен перед нырком делает несколько глубоких и быстрых вдохов-выдохов. После погружения фридайвер замирает, чтобы расходовать кислород как можно меньше. На сегодня мировой рекорд по задержке дыхания под водой в «Статическом апноэ» принадлежит испанцу Алексу Сегуре. В 2016 году ему удалось продержаться на одном вдохе 24 минуты 03 секунды. Среди женщин максимальное время в этой дисциплине показала словенка Бранко Петрович в 2013 году: 10 минут 18 секунд.
Как научиться не дышать?
Научиться задерживать дыхание и глубоко нырять может каждый. Это лишь вопрос желания и самодисциплины. Та же Наталья Молчанова начала заниматься фридайвингом в 40 лет и стала непревзойденной, покорив 41 мировой рекорд.
Работа с дыханием — это хороший метод оздоровления, способствующий восстановлению практически всех функций организма и открывающий новые возможности. Главные правила — постепенность и постоянство. Начните с малого, задерживайте дыхание насколько возможно и по чуть-чуть увеличивайте время. Проводите тренировки по несколько раз в день, тем более что они не требуют ни особого места, ни специального оборудования. Как только научитесь не дышать хотя бы пару минут, переходите к водным занятиям.
Знайте, что под водой дыхание можно задержать на более долгий срок, чем на суше. При погружении, особенно в прохладную воду, сосуды сужаются, пульс замедляется, организм расходует ресурсы более экономно. Это так называемый рефлекс ныряния. Но он работает только в том случае, если человек действует уверенно и спокойно, прислушиваясь к сигналам своего тела и следуя инстинкту. Помните также, что перед погружением следует хорошо выспаться, нельзя выпивать и курить.
Существуют разные системы тренировок, направленных на увеличение объема легких, умение расслабляться и контролировать свое тело. Предпочтительнее заниматься с инструктором, чем самостоятельно, особенно на первых порах. Никогда не проводите погружение в одиночку. Найдите единомышленников и двигайтесь вместе к новым рекордам!
Фридайвинг — это погружение под воду на задержке дыхания. Сегодня большинство интересующихся ассоциируют фридайвинг со сверхлюдьми, погружающимися в самые темные глубины океана на одном вдохе, способными управлять телом и разумом настолько мастерски, что возвращаются на поверхность спустя десятки минут в целости и сохранности (с сеткой жемчуга или сокровищами утонувших кораблей). Но каждый раз, когда вы погружаетесь в воду и задерживаете дыхание — вы уже фридайвер. Что такое фридайвинг на самом деле?
Дайвинг без акваланга называют фридайвингом, скиндайвингом и сноркелингом. В этих техниках может использоваться маска, трубка и ласты, но фридайвинг всегда будет включать в себя задержку дыхания. Погружение с задержкой дыхания ранее практиковалось для выживания — ловля устриц, добыча жемчуга… Не так давно фридайвинг стал рекреационным видом отдыха и спорта.
С развитием соревнований по фридайвингу развиваются так же способы и техники, помогающие продлить задержку дыхания. Совсем недавно рекорды апное отмечались по-разному в соленой и пресной воде, сейчас многие правила изменились. Фридайвинг как спорт становится все более серьезной дисциплиной.
Виды фридайвинга
Рассмотрим современные техники фридайвинга немного детальнее.
«Open Water» дисциплины фридайвинга
Фридайвинг с постоянным весом (CWT)
Погружаться можно как с ластами, так и без них. Это соревновательная дисциплина, считающаяся чистейшей формой фридайвинга: дайвер погружается и поднимается благодаря собственному весу и мышечной силе, вес остается неизменным на протяжении всего погружения.
Постоянный вес с ластами, наряду со статическим апное, были двумя первыми соревновательными дисциплинами до динамического апное с ластами. В первых международных соревнованиях большинство участников выступали с би-ластами, и лишь горстка спортсменов предпочитала моноласт. Теперь преимущество моноласта стало общепризнанным и его используют все глубоководные фридайверы.
В последние годы фридайвинг в постоянном весе без ласт (CNF) становится все более популярным. В соревнованиях у CNF есть своя категория, хотя еще 20-30 лет назад глубоководное погружение без снаряжения было запрещено и считалось очень опасным. Погружение в постоянном весе без ласт может быть непростой задачей при преодолении положительной плавучести, а затем отрицательной плавучести при всплытии.
Свободное погружение (FIM)
Дисциплина, в которой не используются ласты, а дайвер держится за трос при погружении и всплытии. Такая техника часто используется в качестве разминки CNF: можно поберечь ноги и .
Свободное погружение широко используется на курсах для начинающих фридайверов, благодаря чему новички могут изучить навыки продувки ушей. Непривычным к смене давления начинающим дайверам можно поначалу погружаться «ногами вперед», а в этом случае без троса не обойтись. Множество программ тренировок по фридайвингу разобраны в статье.
Фридайвинг с переменным весом (VWT)
В этой дисциплине используется дополнительный вес для облегчения погружения, возвращается дайвер своими силами — при помощи ласт и троса. Это не соревновательная дисциплина в фридайвинге, однако в ней фиксируются свои мировые рекорды.
Фридайвинг «No Limits» (NLT)
Больше всего breaking news создает именно фридайвинг без ограничений. Он и самый опасный. Здесь используется утяжеление и различные компенсаторы плавучести, поднимающие дайвера на поверхность. Далеко не каждый фридайвер практикует No Limits, однако именно эти методы использовались пионерами апное Жаком Майолем и Энцо Майорка.
В шестидесятых стало возможно использовать специальный резервуар, поднимающий дайвера на поверхность. Однако, чем глубже становились погружения, тем менее эффективен был этот способ. Часто происходили обрывы заполняющего шланга, а риск азотного наркоза всегда оставлял сомнения в адекватности дайвера, которому необходимо было выполнить ряд действий для успешного заполнения резервуара воздухом и всплытия. Сейчас наиболее экстремальные фридайверы используют специальные компенсаторы плавучести, результат работы которых не зависит от воздуха или дайвера — все происходит автоматически.
Фридайвинг в бассейне
Статическое апноэ (STA)
Статическое апноэ является одной из самых психологически сложных дисциплин в фридайвинге. Суть в задержке дыхания на максимально возможное время, лежа на поверхности воды в бассейне — ничего не должно отвлекать дайвера, при этом очень легко быстро сдаться, находясь в миллиметрах от поверхности.
Статическое апноэ, наряду с постоянным весом с ластами является одной из основных соревновательных дисциплин. Практиковать задержку дыхания можно круглый год в бассейне. Тренировки развивают уверенность в себе и психическую прочность.
Динамическое апноэ (DYN and DNF)
Динамическое апноэ можно практиковать с ластами и без. Выполняется дисциплина зачастую в бассейне и основана на прохождении максимальной горизонтальной дистанции с задержкой дыхания. Часто входит в программу командных соревнований, с использованием ласт.
Некоторым дайверам сложно уравнивать внутриушное давление, а динамическое апное позволяет не терять форму без необходимости глубоководного погружения.
Рекорды устанавливаются в каждой их дисциплин фридайвинга, но фридайвиг прежде всего — удовольствие и наслаждение от созерцания подводного мира. У фридайверов есть возможность получать больше радости от общения с природой, не обременяя себя дополнительным оборудованием. Практиковать можно любой из видов свободного погружения, получая массу преимуществ этого вида спорта. Но начинать знакомство с непривычной человеку средой нужно с хорошего инструктора рядом с вами, который поможет разобраться в оборудовании, будет буквально держать вас за руку при первых погружениях. Несколько первых шагов описаны в статье
В заключение дам свое определение: фридайвинг — это уникальный вид экстрима с контролем и подавлением адреналина. Наслаждайтесь!
Свобода погружения
Дословно FreeDiving переводится как «свободное погружение» под воду без акваланга и с задержкой дыхания настолько, насколько это позволяет человеческое тело и разум. Самое интересное, что развитию такого вида спорта, как глубоководное погружение на задержке дыхания – апноэ, послужил спор на бутылку шампанского. Именно она стала вожделенным призом одного из первых апноистов – итальянца Раймондо Буше.
В 1949 г. в Неаполитанском заливе эксцентричный пилот морской авиации Буше поспорил с другом, что нырнет так же глубоко, как и водолаз в скафандре, работавший на глубине. И выиграл спор. Измеренная глубина составила фантастическую по тем временам величину в 30 м. Основоположником же фридайвинга как спорта можно считать Жака Майоля, который в 60-е гг. впервые сформулировал психологию фридайвинга и разработал специальный комплекс упражнений и систему дыхания. «Чистым жанром» во фридайвинге считается глубоководный фридайвинг. Помимо него, существуют и другие спортивные дисциплины в этой области: спортсмены соревнуются в так называемом статическом и динамическом апноэ (от греч. apnoia – отсутствие дыхания). В первом случае человек просто лежит на поверхности воды лицом вниз и как можно дольше задерживает дыхание, во втором – проныривает под водой на дальность (в ластах и без них).
Фото с сайта Н.Молчановой
При погружениях с аквалангом сжатый воздух из баллонов повышает давление газа внутри легких и уравновешивает внешнее давление воды. Фридайверу же, как считалось, возрастающее гидростатическое давление компенсировать нечем, кроме как собственными костями и мышцами. Физиологи во главе с французским медиком Кабарру отмерили человеку абсолютный предел глубины, исходя из объема легких. Так, рубеж в 50 м был теоретическим пределом. Однако уже в 1961 г. Энцо Майорка преодолел этот рубеж. После достижения глубин более 100 м стало понятно, что не только физические данные играют роль в погружении, но и умение контролировать, а главное, управлять физиологией своего тела. Как ни парадоксально это звучит, но именно умение управлять процессами, происходящими в организме, позволило известным профессиональным фридайверам нырнуть на глубину в 150 м и, возможно, вскоре позволит достигнуть и заветных 200 м.
Фридайвинг – для кого-то спорт, для кого-то активный отдых. Каждый преследует разные цели, ищет неповторимые ощущения. «Радость, когда для счастья, оказывается, нужно только вдохнуть и с особой остротой ощутить вкус к жизни», – говорит президент федерации фридайвинга, восьмикратная чемпионка мира и семнадцатикратная рекордсменка мира по фридайвингу по версии AIDA Наталья Молчанова.
Стефан Мифсюд: поймать подводный вирус
Обычный, нетренированный человек в состоянии задержать дыхание всего на 30–40 сек. Рекорды статических ныряльщиков-апноистов на сегодняшний день прочно удерживаются на уровне 6–7,5 мин. Мировой рекорд пятикратного чемпиона мира по апноэ-динамике в ластах Стефана Мифсюда – задержка дыхания под водой в течение 10 минут и 4 секунд (!).
По виду Мифсюд обычный парень, особо не выделяющийся из толпы дайверов, только вот задерживать дыхание под водой может на 10 минут. Ну и, в общем-то, все. Попытка разглядеть у человека жабры тщетна: Стефан просто задирает майку и показывает абсолютно «чистый» накачанный торс.
– Все дело в тренировке, закалке и сноровке. Начали бы, как я, лет с четырех, тоже минут на пять в воде свободно зависали бы.
Мне понять трудно. Даже активно включив фантазию, не могу представить себя, пять минут свободно парящую в толще океанской воды. С аквалангом и то постоянно боюсь, что воздух закончится.
– Ваш страх исключительно в голове, – резюмирует Стефан. – Резервные возможности человека поистине безграничны и пока совершенно не изучены. Научиться задерживать дыхание под водой можно практически в любом возрасте – природа заложила в нас такие способности, и человек может их развить по своему желанию. Так, Жак Майоль поставил свой рекорд 105 м в категории No Limit в 56 лет, а «старейший фридайвер» – француз Энди Ле Сос – начал тренироваться в 48 лет и практически сразу поставил несколько рекордов, в числе которых рекорд в статике – 7,35 сек., державшийся на протяжении 4 лет. В нашем генетическом багаже сохранились древние механизмы, забытые за ненадобностью: организм человека имеет врожденную адаптацию к водной среде – так называемый «нырятельный» рефлекс. А человеческий эмбрион, например, к четвертой неделе своего развития имеет четко выраженные жаберные дуги.
Апноэ доставляет мне удовольствие, я не насилую свой организм, не иду на рекорд ценой собственного здоровья. Все гармонично – нет задачи «не дышать такое-то количество времени». Просто я могу не дышать 10 минут сегодня, а завтра – может, и больше.
Для того чтобы нырнуть в глубину, человеку требуется определенный психологический настрой. Без ментальной тренировки добиться нужного состояния достаточно сложно. Конечно, он должен находиться в хорошей физической форме, но больше 50% результата все же идет от головы. При нырянии в глубину с задержкой дыхания у спортсмена возникает целый комплекс различных физиологических и психологических реакций, тесно взаимосвязанных между собой. Ныряя, необходимо максимально физически расслабиться и сконцентрироваться внутренне, отслеживая все, что происходит как в организме, так и вокруг.
– Любой внутренний или внешний сигнал должен быть чутко и четко воспринят. В какой-то момент просто чувствуешь – всё. Вроде и воздух еще есть, но человек разворачивается и всплывает, причем сам не может объяснить причину. Внутренний инстинкт. А вообще считаю, что грамотные тренировки вполне способны уберечь спортсмена от таких неожиданностей.
Стефан Мифсюд: организм как машина
С помощью специально разработанной им методики дыхания Мифсюд добивается максимальной эластичности грудных мышц и за последние 6 лет увеличил объем легких больше, чем на 2,5 л.
– Свой организм я сравниваю с экономичной машиной, использующей мало бензина. Большой бак бензина и экономичный расход топлива. Внутри работает высококлассный механизм: при прекращении поступления кислорода он уменьшает его потребление тканями, при этом перераспределяя ресурсы и вводя новые резервы. Эффективность использования собственного объема легких значит больше, чем сам объем. Поэтому существуют упражнения и целые системы, позволяющие максимально полно использовать то, что уже дано нам от рождения. Но считаю, что способность долго находиться под водой не зависит от природного объема легких: это довольно относительное понятие, зависящее от многих факторов и прежде всего от тренированности организма. Должно быть хорошее физическое развитие. Плавание, бег, езда на велосипеде – все это помогает добиваться нужных результатов.
В своих тренировках я иду маленькими шажками и без страха: анаэробные нагрузки, общая физическая подготовка, растяжка легких и работа с мыслями… Я не против йоги, но именно мне она никак не помогает, не приносит улучшения результатов. У меня другой путь – за счет физических тренировок.
И, опять же, в зависимости от того, в чем хочется добиться большей динамики – на то я и делаю упор. Каждый спортсмен знает свои недостатки: у кого-то хорошо работают ноги, но не хватает дыхания, и наоборот. Опять же, постараюсь сравнить с машиной: когда есть гоночная машина и вы в ней сидите, то дальше, чем машина, вы не уедете, во фридайвинге же вы можете уйти достаточно глубоко. Проблема в том, вернетесь ли вы обратно.
Стефан Мифсюд и Наталья Молчанова
Фридайвинг является экстремальным видом спорта, и поэтому важно прогнозировать вероятность успешного погружения в глубину. Спортсмену необходимо уметь рассчитывать силы для своевременного разворота к подъему на поверхность.
37-летний Мифсюд обожает подводную охоту и в ней видит практическую пользу от апноэ. Даже первое ружье у маленького Стефана было подводным. Он до сих пор вспоминает свою первую подводную охоту на Большом Коралловом рифе острова Реюньон, вблизи знаменитого курорта Маврикий. Именно там Мифсюд познал всю красоту подводного мира и навсегда поймал подводный вирус.
– Мой отец, подводный охотник, с самого детства приучал меня к воде. Можно сказать, что я с пеленок нырял в Индийском океане. Нас у родителей четверо: две девочки и два мальчика, – я самый младший брат. И так получилось, что один отдуваюсь за всю семью – больше никто спортом не увлекается. С пяти лет я начал заниматься апноэ, а в десять уже легко стал задерживать дыхание на 4,5 мин.
Люди-амфибии
По мнению некоторых ученых, года через два люди смогут дышать под водой, как рыбы. Некий израильский изобретатель изобрел нечто напоминающее искусственные жабры, то есть устройство, позволяющее погружаться на дно моря-океана без акваланга и, как рыба, дышать воздухом, растворенным в воде. Изобретатель получил по электронной почте уже несколько сотен писем со всего мира от добровольцев, желающих испытать его систему.
Первым проблему подводного дыхания решил советский писатель-фантаст Александр Беляев. Герою его знаменитого романа «Человек-амфибия», Ихтиандру, заменили легкие на жабры.
Но мечта образца середины 20-х годов прошлого века так и не сбылась, хотя попытки стать человеком-рыбой предпринимались неоднократно.
Во Франции такие люди, как Стефан Мифсюд, – на вес золота в изучении пределов человеческого организма. Их привлекают к различным добровольным экспериментам, проводят многочисленные исследования и на основе полученных материалов пишут научные статьи. Специалисты, которые долгое время имеют дело со спортом, могут подтвердить: то, что является нормой в спорте, – не всегда укладывается в норму с точки зрения обычной физиологии. Этот вопрос до конца не изучен, и на тех, кто берется оценить пределы в спорте, ложится большая ответственность. Во фридайвинге особо сказывается индивидуальная разница между людьми: и здесь особенно трудно вывести средний показатель.
– На меня надевают огромное количество датчиков, измеряют давление, психофизическое состояние, проверяют, как работает мозг. Я, собственно, ничем от вас не отличаюсь. Но, может, единственное, что размер моих легких 10,5 л, что почти вдвое больше, чем у обычного человека, и при задержке дыхания мой пульс замедляется и опускается до 19 ударов в минуту. Я с удовольствием сотрудничаю с учеными: так, во Франции не без моего участия вышла книга ученого Фредерика Леметра о задержке дыхания.
Стефан по профессии – детский тренер по плаванию. Он считает, что лучшее время для начала тренировок – с 5 лет: именно в этом возрасте организм и психика ребенка легче всего адаптируются к водной среде.
– После рекорда я очень сильно устал и более полутора месяцев просто ничего не делал, отдыхал. А потом пошел заниматься с малышами, общаться с ними – отличная реабилитация. Я учу их видеть море изнутри, знакомлю с подводными обитателями, стараюсь донести до них, что все мы – единое целое, один живой организм. Ведь сама суть фридайвинга – это единение человека с морем, океаном, совершенно другим миром. Человек, который всю жизнь находится только на суше, теряет для себя половину мира. Чтобы обрести гармонию в этом мире, нужно начать жить по его законам, погрузиться в него, испытать совершенные чувства и эмоции.
Обучать – мое хобби, и я надеюсь, что, опираясь на мои знания и навыки, мои ученики пойдут дальше в своих экспериментах. И 10 минут задержки дыхания для них будут разминкой перед настоящим рекордом. Грядет биологическая эволюция, лимита не существует, есть только глубина, и она ждет.
Татьяна Белоножкина
Мы живем на планете воды, но земные океаны знаем хуже, чем некоторые космические тела. Больше половины поверхности Марса артографировано с разрешением около 20 м — и только 10−15% океанского дна изучены при разрешении хотя бы 100 м. На Луне побывало 12 человек, на дне Марианской впадины — трое, и все они не смели и носа высунуть из сверхпрочных батискафов.
Погружаемся
Главная сложность в освоении Мирового океана — это давление: на каждые 10 м глубины оно увеличивается еще на одну атмосферу. Когда счет доходит до тысяч метров и сотен атмосфер, меняется все. Жидкости текут иначе, необычно ведут себя газы… Аппараты, способные выдержать эти условия, остаются штучным продуктом, и даже самые современные субмарины на такое давление не рассчитаны. Предельная глубина погружения новейших АПЛ проекта 955 «Борей» составляет всего 480 м.
Водолазов, спускающихся на сотни метров, уважительно зовут акванавтами, сравнивая их с покорителями космоса. Но бездна морей по‑своему опаснее космического вакуума. Случись что, работающий на МКС экипаж сможет перейти в пристыкованный корабль и через несколько часов окажется на поверхности Земли. Водолазам этот путь закрыт: чтобы эвакуироваться с глубины, могут потребоваться недели. И срок этот не сократить ни при каких обстоятельствах.
Впрочем, на глубину существует и альтернативный путь. Вместо того чтобы создавать все более прочные корпуса, можно отправить туда… живых водолазов. Рекорд давления, перенесенного испытателями в лаборатории, почти вдвое превышает способности подлодок. Тут нет ничего невероятного: клетки всех живых организмов заполнены той же водой, которая свободно передает давление во всех направлениях.
Клетки не противостоят водному столбу, как твердые корпуса субмарин, они компенсируют внешнее давление внутренним. Недаром обитатели «черных курильщиков», включая круглых червей и креветок, прекрасно себя чувствуют на многокилометровой глубине океанского дна. Некоторые виды бактерий неплохо переносят даже тысячи атмосфер. Человек здесь не исключение — с той лишь разницей, что ему нужен воздух.
Под поверхностью
Кислород Дыхательные трубки из тростника были известны еще могиканам Фенимора Купера. Сегодня на смену полым стеблям растений пришли трубки из пластика, «анатомической формы» и с удобными загубниками. Однако эффективности им это не прибавило: мешают законы физики и биологии.
Уже на метровой глубине давление на грудную клетку поднимается до 1,1 атм — к самому воздуху прибавляется 0,1 атм водного столба. Дыхание здесь требует заметного усилия межреберных мышц, и справиться с этим могут только тренированные атлеты. При этом даже их сил хватит ненадолго и максимум на 4−5 м глубины, а новичкам тяжело дается дыхание и на полуметре. Вдобавок чем длиннее трубка, тем больше воздуха содержится в ней самой. «Рабочий» дыхательный объем легких составляет в среднем 500 мл, и после каждого выдоха часть отработанного воздуха остается в трубке. Каждый вдох приносит все меньше кислорода и все больше углекислого газа.
Чтобы доставлять свежий воздух, требуется принудительная вентиляция. Нагнетая газ под повышенным давлением, можно облегчить работу мускулам грудной клетки. Такой подход применяется уже не одно столетие. Ручные насосы известны водолазам с XVII века, а в середине XIX века английские строители, возводившие подводные фундаменты для опор мостов, уже подолгу трудились в атмосфере сжатого воздуха. Для работ использовались толстостенные, открытые снизу подводные камеры, в которых поддерживали высокое давление. То есть кессоны.
Глубже 10 м
Азот Во время работы в самих кессонах никаких проблем не возникало. Но вот при возвращении на поверхность у строителей часто развивались симптомы, которые французские физиологи Поль и Ваттель описали в 1854 году как On ne paie qu’en sortant — «расплата на выходе». Это мог быть сильный зуд кожи или головокружение, боли в суставах и мышцах. В самых тяжелых случаях развивались параличи, наступала потеря сознания, а затем и гибель.
Чтобы отправиться на глубину без каких-либо сложностей, связанных с экстремальным давлением, можно использовать сверхпрочные скафандры. Это чрезвычайно сложные системы, выдерживающие погружение на сотни метров и сохраняющие внутри комфортное давление в 1 атм. Правда, они весьма дороги: например, цена недавно представленного скафандра канадской фирмы Nuytco Research Ltd. EXOSUIT составляет около миллиона долларов.
Проблема в том, что количество растворенного в жидкости газа прямо зависит от давления над ней. Это касается и воздуха, который содержит около 21% кислорода и 78% азота (прочими газами — углекислым, неоном, гелием, метаном, водородом и т. д. — можно пренебречь: их содержание не превышает 1%). Если кислород быстро усваивается, то азот просто насыщает кровь и другие ткани: при повышении давления на 1 атм в организме растворяется дополнительно около 1 л азота.
При быстром снижении давления избыток газа начинает выделяться бурно, иногда вспениваясь, как вскрытая бутылка шампанского. Появляющиеся пузырьки могут физически деформировать ткани, закупоривать сосуды и лишать их снабжения кровью, приводя к самым разнообразным и часто тяжелым симптомам. По счастью, физиологи разобрались с этим механизмом довольно быстро, и уже в 1890-х годах декомпрессионную болезнь удавалось предотвратить, применяя постепенное и осторожное снижение давления до нормы — так, чтобы азот выходил из организма постепенно, а кровь и другие жидкости не «закипали».
В начале ХХ века английский исследователь Джон Холдейн составил детальные таблицы с рекомендациями по оптимальным режимам спуска и подъема, компрессии и декомпрессии. Экспериментируя с животными, а затем и с людьми — в том числе с самим собой и своими близкими, — Холдейн выяснил, что максимальная безопасная глубина, не требующая декомпрессии, составляет около 10 м, а при длительном погружении — и того меньше. Возвращение с глубины должно производиться поэтапно и не спеша, чтобы дать азоту время высвободиться, зато спускаться лучше довольно быстро, сокращая время поступления избыточного газа в ткани организма. Людям открылись новые пределы глубины.
Глубже 40 м
Гелий Борьба с глубиной напоминает гонку вооружений. Найдя способ преодолеть очередное препятствие, люди делали еще несколько шагов — и встречали новую преграду. Так, следом за кессонной болезнью открылась напасть, которую дайверы почти любовно зовут «азотной белочкой». Дело в том, что в гипербарических условиях этот инертный газ начинает действовать не хуже крепкого алкоголя. В 1940-х опьяняющий эффект азота изучал другой Джон Холдейн, сын «того самого». Опасные эксперименты отца его ничуть не смущали, и он продолжил суровые опыты на себе и коллегах. «У одного из наших испытуемых произошел разрыв легкого, — фиксировал ученый в журнале, — но сейчас он поправляется».
Несмотря на все исследования, механизм азотного опьянения детально не установлен — впрочем, то же можно сказать и о действии обычного алкоголя. И тот и другой нарушают нормальную передачу сигналов в синапсах нервных клеток, а возможно, даже меняют проницаемость клеточных мембран, превращая ионообменные процессы на поверхностях нейронов в полный хаос. Внешне то и другое проявляется тоже схожим образом. Водолаз, «словивший азотную белочку», теряет контроль над собой. Он может впасть в панику и перерезать шланги или, наоборот, увлечься пересказом анекдотов стае веселых акул.
Наркотическим действием обладают и другие инертные газы, причем чем тяжелее их молекулы, тем меньшее давление требуется для того, чтобы этот эффект проявился. Например, ксенон анестезирует и при обычных условиях, а более легкий аргон — только при нескольких атмосферах. Впрочем, эти проявления глубоко индивидуальны, и некоторые люди, погружаясь, ощущают азотное опьянение намного раньше других.
Избавиться от анестезирующего действия азота можно, снизив его поступление в организм. Так работают дыхательные смеси нитроксы, содержащие увеличенную (иногда до 36%) долю кислорода и, соответственно, пониженное количество азота. Еще заманчивее было бы перейти на чистый кислород. Ведь это позволило бы вчетверо уменьшить объем дыхательных баллонов или вчетверо увеличить время работы с ними. Однако кислород — элемент активный, и при длительном вдыхании — токсичный, особенно под давлением.
Чистый кислород вызывает опьянение и эйфорию, ведет к повреждению мембран в клетках дыхательных путей. При этом нехватка свободного (восстановленного) гемоглобина затрудняет выведение углекислого газа, приводит к гиперкапнии и метаболическому ацидозу, запуская физиологические реакции гипоксии. Человек задыхается, несмотря на то что кислорода его организму вполне достаточно. Как установил тот же Холдейн-младший, уже при давлении в 7 атм дышать чистым кислородом можно не дольше нескольких минут, после чего начинаются нарушения дыхания, конвульсии — все то, что на дайверском сленге называется коротким словом «блэкаут».
Жидкостное дыхание
Пока еще полуфантастический подход к покорению глубины состоит в использовании веществ, способных взять на себя доставку газов вместо воздуха — например, заменителя плазмы крови перфторана. В теории, легкие можно заполнить этой голубоватой жидкостью и, насыщая кислородом, прокачивать ее насосами, обеспечивая дыхание вообще без газовой смеси. Впрочем, этот метод остается глубоко экспериментальным, многие специалисты считают его и вовсе тупиковым, а, например, в США применение перфторана официально запрещено.
Поэтому парциальное давление кислорода при дыхании на глубине поддерживается даже ниже обычного, а азот заменяют на безопасный и не вызывающий эйфории газ. Лучше других подошел бы легкий водород, если б не его взрывоопасность в смеси с кислородом. В итоге водород используется редко, а обычным заменителем азота в смеси стал второй по легкости газ, гелий. На его основе производят кислородно-гелиевые или кислородно-гелиево-азотные дыхательные смеси — гелиоксы и тримиксы.
Глубже 80 м
Сложные смеси Здесь стоит сказать, что компрессия и декомпрессия при давлениях в десятки и сотни атмосфер затягивается надолго. Настолько, что делает работу промышленных водолазов — например, при обслуживании морских нефтедобывающих платформ — малоэффективной. Время, проведенное на глубине, становится куда короче, чем долгие спуски и подъемы. Уже полчаса на 60 м выливаются в более чем часовую декомпрессию. После получаса на 160 м для возвращения понадобится больше 25 часов — а ведь водолазам приходится спускаться и ниже.
Поэтому уже несколько десятилетий для этих целей используют глубоководные барокамеры. Люди живут в них порой целыми неделями, работая посменно и совершая экскурсии наружу через шлюзовой отсек: давление дыхательной смеси в «жилище» поддерживается равным давлению водной среды вокруг. И хотя декомпрессия при подъеме со 100 м занимает около четырех суток, а с 300 м — больше недели, приличный срок работы на глубине делает эти потери времени вполне оправданными.
Методы длительного пребывания в среде с повышенным давлением прорабатывались с середины ХХ века. Большие гипербарические комплексы позволили создавать нужное давление в лабораторных условиях, и отважные испытатели того времени устанавливали один рекорд за другим, постепенно переходя и в море. В 1962 году Роберт Стенюи провел 26 часов на глубине 61 м, став первым акванавтом, а тремя годами позже шестеро французов, дыша тримиксом, прожили на глубине 100 м почти три недели.
Здесь начались новые проблемы, связанные с длительным пребыванием людей в изоляции и в изнурительно некомфортной обстановке. Из-за высокой теплопроводности гелия водолазы теряют тепло с каждым выдохом газовой смеси, и в их «доме» приходится поддерживать стабильно жаркую атмосферу — около 30 °C, а вода создает высокую влажность. Кроме того, низкая плотность гелия меняет тембр голоса, серьезно затрудняя общение. Но даже все эти трудности вместе взятые не поставили бы предел нашим приключениям в гипербарическом мире. Есть ограничения и поважнее.
Глубже 600 м
Предел В лабораторных экспериментах отдельные нейроны, растущие «в пробирке», плохо переносят экстремально высокое давление, демонстрируя беспорядочную гипервозбудимость. Похоже, что при этом заметно меняются свойства липидов клеточных мембран, так что противостоять этим эффектам невозможно. Результат можно наблюдать и в нервной системе человека под огромным давлением. Он начинает то и дело «отключаться», впадая в кратковременные периоды сна или ступора. Восприятие затрудняется, тело охватывает тремор, начинается паника: развивается нервный синдром высокого давления (НСВД), обусловленный самой физиологией нейронов.
Помимо легких, в организме есть и другие полости, содержащие воздух. Но они сообщаются с окружающей средой очень тонкими каналами, и давление в них выравнивается далеко не моментально. Например, полости среднего уха соединяются с носоглоткой лишь узкой евстахиевой трубой, которая к тому же часто забивается слизью. Связанные с этим неудобства знакомы многим пассажирам самолетов, которым приходится, плотно закрыв нос и рот, резко выдохнуть, уравнивая давление уха и внешней среды. Водолазы тоже применяют такое «продувание», а при насморке стараются вовсе не погружаться.
Добавление к кислородно-гелиевой смеси небольших (до 9%) количеств азота позволяет несколько ослабить эти эффекты. Поэтому рекордные погружения на гелиоксе достигают планки 200−250 м, а на азотсодержащем тримиксе — около 450 м в открытом море и 600 м в компрессионной камере. Законодателями в этой области стали — и до сих пор остаются — французские акванавты. Чередование воздуха, сложных дыхательных смесей, хитрых режимов погружения и декомпрессии еще в 1970-х позволило водолазам преодолеть планку в 700 м глубины, а созданную учениками Жака Кусто компанию COMEX сделало мировым лидером в водолазном обслуживании морских нефтедобывающих платформ. Детали этих операций остаются военной и коммерческой тайной, поэтому исследователи других стран пытаются догнать французов, двигаясь своими путями.
Пытаясь опуститься глубже, советские физиологи изучали возможность замены гелия более тяжелыми газами, например неоном. Эксперименты по имитации погружения на 400 м в кислородно-неоновой атмосфере проводились в гипербарическом комплексе московского Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН и в секретном «подводном» НИИ-40 Министерства обороны, а также в НИИ Океанологии им. Ширшова. Однако тяжесть неона продемонстрировала свою обратную сторону.
Можно подсчитать, что уже при давлении 35 атм плотность кислородно-неоновой смеси равна плотности кислородно-гелиевой примерно при 150 атм. А дальше — больше: наши воздухоносные пути просто не приспособлены для «прокачивания» такой густой среды. Испытатели ИМБП сообщали, что, когда легкие и бронхи работают со столь плотной смесью, возникает странное и тяжелое ощущение, «будто ты не дышишь, а пьешь воздух». В бодрствующем состоянии опытные водолазы еще способны с этим справиться, но в периоды сна — а на такую глубину не добраться, не потратив долгие дни на спуск и подъем — они то и дело просыпаются от панического ощущения удушья. И хотя военным акванавтам из НИИ-40 удалось достичь 450-метровой планки и получить заслуженные медали Героев Советского Союза, принципиально это вопроса не решило.
Новые рекорды погружения еще могут быть поставлены, но мы, видимо, подобрались к последней границе. Невыносимая плотность дыхательной смеси, с одной стороны, и нервный синдром высоких давлений — с другой, видимо, ставят окончательный предел путешествиям человека под экстремальным давлением.
Как и в любом другом виде спорта или человеческой деятельности в дайвинге фиксируется множество разнообразных рекордов. Рассказываем о самых интересных из них.
САМОЕ ГЛУБОКОЕ ПОГРУЖЕНИЕ С АКВАЛАНГОМ
Действующий рекорд был установлен 18 сентября 2014 года 41-летним Ахмадом Габром. Инструктор по дайвингу из Египта достиг глубины 332,35 метра. Погружение производилось в Красном море неподалеку от Дахаба.
На подготовку к установлению рекорда у Габра ушло четыре года. Все это время он работал с элитной командой дайверов, разработавшей план погружения. Она помогла ему справиться с различными рисками, такими как азотное отравление, декомпрессионная болезнь и нервный синдром высокого давления.
На погружение до необходимой глубины у Габра ушло всего 12 минут. А подъем из-за опасности декомпрессии занял аж 14 часов.
Всего египтянину понадобилось использовать девять баллонов, большинство из которых было заполнено газовой смесью кислорода, азота и гелия. Его команда поддержки израсходовала 92 таких баллона.
САМОЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОЕ ПОГРУЖЕНИЕ С АКВАЛАНГОМ В ОТКРЫТОЙ ВОДЕ
В июле 2016 года турецкий дайвер Джем Карабай пробыл чуть меньше шести дней под водой на пляже на острове Кипр. Длительность погружения составила 142 часа, 42 минуты и 42 секунды. Эти числа объясняются политическими причинами. Установление рекорда было приурочено к 42-летию высадки на острове военного корпуса из Турции.
Карабай установил рекорд, разработав со своей командой новые методы удовлетворения потребностей в воде и еде во время погружения. Находясь под водой, рекордсмен также играл со своими друзьями в футбол и шашки.
Карабай также владеет рекордом погружения в искусственном закрытом водоеме. В октябре 2011 года он провел под водой 192 часа 19 минут 19 секунд в бассейне в Стамбуле.
У женщин рекорд самого продолжительного погружения принадлежит австралийке Кристи Квилл. Она на протяжении 51 часа 25 минут находилась под водой на пятиметровой глубине на пляже Ла-Хойя в Сан-Диего в Калифорнии.
Квилл до этого потеряла мать, умершую от рака молочной железы. С помощью своего рекорда австралийка привлекала внимание к проблеме и собирала деньги на исследования рака.
Когда речь идет о таких невероятных достижениях, даже незаурядным и невероятно сильным людям трудно обойтись без помощи техники и, в частности, надежных часов. В коллекции Prospex от компании Seiko присутствует множество моделей как для профессионалов, так и для любителей. Скажем, модель Kinetic GMT Diver’s (SUN065P1) прекрасно подходит для подводного плавания на глубине до 200 м. А при длительном погружении они могут оказаться просто незаменимы. На них есть 24-часовая шкала, а, значит, всегда можно безошибочно определить точное время. Ведь под водой, в чужой и во многом враждебной среде, привычные нам ориентиры стираются и без помощи качественной и надежной техники не обойтись.
ПОГРУЖЕНИЕ С АКВАЛАНГОМ НА САМОЙ БОЛЬШОЙ ВЫСОТЕ
Венгерский дайвер и альпинист Эрне Тошоки в феврале 2016 года погрузился в озеро на восточной стороне самого высокого вулкана на Земле Охос-дель-Саладо. Водоем находится на границе Аргентины и Чили на высоте 6382 метра над уровнем моря.
Тошоки стал первым человеком, совершившим погружение на высоте более 6000 метров.
Хотя оно продлилось всего 10 минут и происходило на глубине всего лишь 2 метра, установление этого рекорда было сложной задачей из-за трудных условий вокруг и неизвестных эффектов от погружения на такой высоте.
У Тошоки был всего один член команды поддержки. Вместе с рекордсменом он нес все необходимое оборудование для погружения и коммуникации, а также медицинское оборудование, без которого было бы невозможно это погружение.
А ведь еще не так давно об таких рекордах можно было только мечтать. К счастью, технический прогресс позволяет расширять горизонты человеческих возможностей. В том числе и прогресс в плане часов для погружений. Пионером тут является компания Seiko. В 1990 году именно она выпустила первые компьютеризированные дайверские часы — Seiko Scubamaster 200m. Часы измеряли не только текущую глубину и время погружения, но также время всплытия. Эти значения являются ключевыми для расчета и отображения информации о следующем погружении без декомпрессии в серии повторных погружений.
Первый в мире компьютер для дайвинга, выпущенный Seiko в 1990 году.
САМАЯ ДЛИННАЯ ПОДВОДНАЯ ЦЕПОЧКА ИЗ ЛЮДЕЙ
Одно из самых свежих достижений, попавшее в Книгу рекордов Гиннесса, было установлено 17 июня 2017 года у побережья Атлантического океана в Дирфилд-Бич в штате Флорида. Член местного дайверского клуба Паван Арильтон выступил главным организатором установления рекорда. 240 аквалангистов взялись за руки и образовали под водой своеобразную арку вокруг городского пирса.
За день до установления рекорда была проведена предварительная подготовка — дайверы убрали рыболовные сети и другой мусор, находившийся рядом с колоннами пирса.
Предыдущее достижение было установлено у берегов Таиланда в конце 2016 года, когда живую цепочку под водой организовали 182 дайвера.
Пекинские дайверы готовятся к погружению. Фото REUTERS
САМОЕ МАССОВОЕ ПОГРУЖЕНИЕ С АКВАЛАНГОМ
В августе 2009 года индонезийский военно-морской флот организовал мероприятие на пляже Малалаянг в Манадо, в котором 2486 дайверов одновременно погрузились в воду.
Они были разделены на 50 групп, и им приходилось долго ожидать в очередях возможности опуститься на глубину 15 метров.
Рекорд более чем в два раза перебил предыдущее достижение, установленное на Мальдивах в 2006 году. Тогда одновременно в массовом погружении приняли участие 958 человек.
САМЫЙ ПОЖИЛОЙ ДАЙВЕР
Эрвин Пол Сталлер в возрасте 93 лет совершил 36-минутное погружение на Островах Теркс и Кайкос 24 октября 2014 года. Американский пенсионер в 1989 году в 68 лет получил сертификат Профессиональной ассоциации дайвинг-инструкторов и с 1997 года он регулярно посещал эти острова в Карибском море для погружений.
Условия погружений зимой
Организация подледных погружений
Погружения проводятся на страховочных фалах в соответствии со стандартами PADI. Под водой дайверов сопровождают опытные инструкторы и дайв-гиды.
Погружения проводятся в сухом гидрокостюме с применением специальной техники подледных погружений. Всего в погружении участвует не менее 4 человек: двое под водой, двое страхующих на поверхности. Первые пары обычно ходят в воду через 30-40 минут после прибытия в лагерь, затем пары меняются местами. Дайверы погружаются парами в майну, пропиленную во льду. Каждый подводник обвязан страховочным фалом вокруг пояса. На поверхности фал находится в руках у страхующего подводника, а свободный конец фала закреплен во льду альпинистским ледобуром. Подробнее с методикой подлёдных погружений можно ознакомиться здесь.
К местам погружений подводники доставляются на снегоходах. В зависимости от места дорога занимает от 20 минут до 1 часа.
Чтобы участвовать в подлёдных погружениях в Дайвинг-центре «Полярный Круг», дайвер должен соответствовать определенным требованиям. Ознакомьтесь, пожалуйста, со списком требований к участникам подлёдных погружений, а также со списком снаряжения, необходимого для подлёдных погружений.
Ледовый лагерь
К месту погружения заранее транспортируется ледовый лагерь. Лагерь представляет собой несколько обогреваемых домиков на лыжах, которые легко перемещаются между местами погружений с помощью снегоходов. В домике могут комфортно расположиться четыре дайвера, которые работают одной командой (двое ныряют, двое обеспечивают, потом меняются ролями). В отдельных домиках размещаются теплый туалет и кают-компания, где всегда можно выпить горячий чай, кофе, перекусить бутербродами.
При сильных морозах погружения проводится из теплого домика, установленного непосредственно над майной.
Условия зимних погружений
Среднее время одного погружения — 30-40 минут
Толщина льда – до 1,5 метров
Максимальная разрешенная глубина погружений – 30 метров
Температура
Зимой температура воды на поверхности равна -0,5°С, с глубиной она опускается до -2°С.
Температура воздуха: от +5 до -30 °C
Видимость
В зимние месяцы и в марте видимость в воде достигает 30-40 м.
Солёность
Солёность Белого моря 27,5-28‰
Течения
В большинстве мест погружений нет сильных течений.
Рельеф
Рельеф в местах погружений различен — это и отвесные вертикальные стенки, уходящие в глубину и ровные участки дна на глубине 15-40 м.
Максимально допустимая скорость погружения
Максимально допустимая скорость погружения
Дайверам, особенно начинающим, всегда твердят, что подниматься на поверхность необходимо медленно. Современные компьютеры для дайвинга оснащены специальным датчиком, который измеряет скорость всплытия, и в случае, если эта скорость превышает максимально допустимое значение, начинает сигнализировать ныряльщику.
Организации, которые обучают дайвингу, во время курса занятий по получению сертификата, беспрестанно повторяют информацию насчёт безопасной скорости всплытия. Логично было бы задать вопрос: а что можно сказать про скорость погружения? Существует ли максимально допустимая скорость погружения? Если коротко, то нет. Она может быть такой, какая нравиться дайверу. Обучающие организации твердят об ограничении скорости всплытия по нескольким важным причинам.
Максимальная скорость установлена для того, чтобы избежать ситуации, когда газы дыхательной смеси, которые растворены в тканях организма и крови, начнут выделяться пузырьками в кровь, активизируя кессонную болезнь. Объём воздуха, который собрался в ушах и лёгких, при всплытии начнёт увеличиваться и дайвер, который будет всплывать слишком быстро, не даст возможности своему организму высвободиться от излишков газа, в результате чего пострадают лёгкие и среднее ухо. И, тем не менее, если нет понятия о скорости погружения, это не значит, что дайвер может стравить весь воздух из своего компенсатора и просто пойти на дно.
При погружении воздух, который находится в организме ныряльщика, начинает сжиматься, а не увеличиваться в объёме. Когда дайвер опускается на глубину, то, согласно закону Бойля-Мариотта, в процессе погружения все его газы в организме начинают сжиматься. Быстрое погружение никак не сможет вызвать декомпрессионную болезнь, так как она вызывается при увеличении объёмов газов в организме, а не сжатием. Хотя быстрое погружение не имеет связи с кессонной болезнью, дайвер всё равно не должен стравливать весь воздух и погружаться слишком быстро. Значимым фактором тут является способность ныряльщика уравнивать давление в ушах, и эта особенность у каждого человека индивидуальна. Некоторые дайверы могут погружаться с нужной им скоростью, выполнив несколько простых приёмов по выравниванию давления в ушах и погружаться на нужную глубину за считанные минуты. Однако некоторым это даётся значительно труднее.
Чтобы избежать так называемой баротравмы, дайвер должен опускаться с той скоростью, которая позволит определить необходимость сделать остановку и выровнять давление в ушах. Контролировать погружение важно не только с точки зрения давления в ушах, но и с точки зрения безопасности. Ныряльщик, который погружается быстрее, чем он способен контролировать обозначенную глубину, в конечном итоге может уткнуться носом в дно или же превысить запланированную глубину погружения.
В первом случае физический контакт с кораллами или другими морскими организмами способен ранить или убить их. Почти все морские существа имеют встроенный механизм защиты, чтобы оградить себя от внешних угроз, в том числе и дайверов. Человек, который не контролирует свои действия при погружении, может не только повредить морских обитателей, но и пораниться сам. Превышение запланированной глубины может стать концом всего дайвинга или, что ещё хуже, стать причинной декомпрессионной болезни. Организации, которые занимаются обучением, не устанавливают максимальную скорость погружения, ведь она индивидуальна для каждого дайвера. Факторы, по которым определяют безопасную скорость погружения, включают в себя способность человека выравнивать давление в ушах, сноровку, умение контролировать ситуацию и способность приостановить погружение в случае экстренной ситуации. В целом, медленное контролируемое погружение гораздо лучше быстрого.
Глубина погружения / Вооружения / Независимая газета
Ведущему разработчику подводной техники 120 лет
Генеральный директор ЦКБ «Рубин» Игорь Вильнит у новейшей подводной лодки «Борей-А». Фото Олега Кулешова
Россия ведет проектирование боевых подводных лодок с 22 декабря 1900 года, именно тогда была сформирована специальная комиссия в составе Ивана Бубнова, Михаила Беклемишева и Ивана Горюнова, занявшаяся созданием «подводного миноносца» – 113-тонного «Дельфина». Дело, начатое 120 лет назад, продолжает Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин» (входит в ОСК). На прошлой неделе коллектив конструкторов-робототехников ЦКБ был удостоен Первой ежегодной Национальной премии «Золотая идея» Федеральной службы по военно-техническому сотрудничеству премии в номинации «За успехи в области производства продукции военного назначения, внедрение передовых технологий и инновационных решений». О том, чем сегодня живет конструкторское бюро, корреспонденту «НВО» Владимиру КАРНОЗОВУ рассказывает генеральный директор ЦКБ «Рубин» Игорь ВИЛЬНИТ.
– Игорь Владимирович, в этом году необитаемый подводный аппарат «Витязь-Д», разработанный ЦКБ «Рубин», погрузился в Марианскую впадину. Что еще востребовано или может быть востребовано заказчиками в ближайшее время?
– И в России, и в мире спрос на подводную необитаемую технику можно разделить на три сегмента: научный, коммерческий и военный. Во всех трех сегментах востребованы самые разные аппараты – от малоразмерных с малой дальностью действия до крупных, обладающих большой автономностью. Пока что особенностью российского рынка является преобладание спроса со стороны силовых ведомств. Однако именно «Витязь» показывает, что эта ситуация постепенно меняется и появляется спрос на научную подводную технику. Надеюсь, что наши малые аппараты «Амулет» и «Талисман» за счет своей компактности и невысокой стоимости упростят формирование такого спроса, ведь ни для кого не секрет, что бюджеты научных учреждений невелики.
На стыке научного и коммерческого направлений находится вопрос разведки шельфовых месторождений нефти и газа в замерзающих морях – пока что это в основном научная проблема, но она имеет отчетливый коммерческий потенциал. Сегодня у нас в разработке находится целый комплекс необитаемых аппаратов для подледной сейсморазведки, это направление мы считаем очень интересным.
К сожалению, пока мы не видим спроса на подводную робототехнику со стороны коммерческих заказчиков, несмотря на то, что подводные работы в нашей стране выполняются достаточно активно. Возможно, соответствующие задачи решаются закупленными ранее иностранными аппаратами, возможно, свою роль играет и разумный консерватизм потенциальных заказчиков – вложения лучше делать в апробированную технику. Впрочем, и в том и в другом случае время работает на нас, а мы, в свою очередь, готовим новые аппараты и для этого сегмента рынка.
– Водоизмещение первых подводных лодок И.Г. Бубнова составляло около сотни тонн, современные подводные лодки значительно крупнее, а подводное водоизмещение самой большой в мире атомной подводной лодки «Акула», спроектированной «Рубином», по данным открытых источников, превышает 40 тыс. тонн. Будут ли размеры необитаемых подводных аппаратов расти такими же темпами, достигнут ли они сотни тонн?
— Водоизмещение – зеркало, отражающее возможности как корабля, так и промышленности. За последние 120 лет функциональность лодок выросла многократно, отсюда и рост водоизмещения. Такие же соображения применимы и к необитаемым подводным аппаратам: чем выше будут требования заказчика, тем более крупные аппараты ему потребуются. Уже сегодня существуют подводные аппараты весом в полсотни тонн, темп роста размеров в необитаемой подводной технике даже выше, чем в обитаемой. Впрочем, это не означает, что такими будут все аппараты, свои задачи есть и у пятитонного «Витязя-Д», и у маленького «Амулета» весом в 15 кг. Главный критерий для робота – его эффективность; поэтому никто не будет увеличивать размер аппарата и создавать сложности с его выпуском и приемом, если этого можно избежать.
– Популярная книга Джеймса Дельгано об истории субмарин вышла в России под названием «Безмолвные убийцы». А когда про боевые подводные лодки будущего можно будет образно говорить как о «автоматах», действующих без экипажа? Уже созданы дистанционно управляемые и полностью автономные боевые катера, танки и беспилотные летательные аппараты. Когда очередь дойдет до подводных лодок-автоматов?
– Чтобы ответить на этот вопрос, придется затронуть не только технические аспекты, но и моральные. Основная проблема – ответственность за применение оружия. Понятно, что достаточно сложный алгоритм может управлять движением робота или даже распознавать цели. Современные подводные лодки немыслимы без автоматики, ведь процессы, протекающие в реакторе или при залповой ракетной стрельбе, слишком сложны и быстротечны для человека. Но решение на применение оружия всегда остается за человеком, нажимающим кнопку «залп». Потому что только человек может отвечать за последствия, в том числе за возможные ошибки. Считающиеся ныне «автономными» летательные аппараты, катера и танки поддерживают двустороннюю связь с пунктом управления, где и находится человек, нажимающий ту самую кнопку. Когда будет создан устойчивый и скрытный канал связи с лодками, находящимися в сотнях и тысячах миль от берега, на глубинах в сотни метров или под многометровым льдом? Это вопрос будущего. Какого? Покажет время.
– Первой подводной лодкой Российского флота на Дальнем Востоке стала «Форель» германской постройки, реализовавшая принцип «полного электродвижения». Как вы относитесь к идее создания атомных подводных лодок с энергетической установкой на принципах полного электродвижения?
– Это вполне актуальная идея. На ее примере хорошо видно, что техника развивается по спирали: мы периодически приходим к возрождению старых идей, но на новом техническом уровне, а иногда и с новыми задачами. Сегодня цель внедрения электродвижения на атомных подводных лодках – снижение их шумности. Несомненно, энергетическая установка с гребным электродвигателем большой мощности в части снижения шумности открывает большие перспективы.
– Получили развитие компактные ядерные реакторы. Они ставились на космические спутники, а сегодня с высоких трибун мы слышим о новых российских разработках крылатых ракетах и торпедах с энергетическими установками, в основе которых процессы расщепления атомного ядра. Может, и в подводном судостроении имеет смысл вернуться к проектам типа «яйца Доллежаля» и подобным, где компактный реактор использовался для подзарядки батарей опытно-экспериментальных ДЭПЛ?
– Такие проработки мы периодически выполняем, известны нам и зарубежные работы по этой тематике. Теоретически лодки с маломощными, вспомогательными ядерными реакторами могут иметь сравнительно небольшие размеры и стоимость. Однако, как и во многих других случаях, дьявол кроется в деталях. Даже маломощный реактор требует тех же средств обеспечения безопасности в море и у пирса, что и полноразмерный. Он выдвигает такие же требования к подготовке экипажа, береговой инфраструктуре и т.п. Сама по себе замена дизель-генераторов на реактор с турбогенераторами не решает проблему скрытности, ведь наибольшим недостатком дизельной подлодки является не сам периодический контакт с атмосферой, а высокая шумность дизеля. Практика показывает, что обесшумливать «маленькую» атомную энергоустановку так же сложно, как и «большую». Поэтому идея подводной лодки со «вспомогательными» атомными энергоустановками хороша только для определенных условий и задач, а посему вряд ли такие корабли станут массовыми в обозримом будущем.
– Проект 636.3 – вершина долгой эволюции первоначальной «Варшавянки». Это всё? Резервы конструкции исчерпаны? Что дальше?
– 31 декабря этого года исполнится 40 лет со дня передачи ВМФ первой «Варшавянки» – головной подводной лодки проекта 877. За это время «Рубин» обеспечил строительство 71 подводной лодки по проектам 877 и 636, и все они передавались заказчикам в срок.
Проект 636.3, разработанный по заказу Военно-морского флота РФ, – это глубоко модернизированная подводная лодка, у которой с первоначальной «Варшавянкой» общего нет, по сути, только корпус. Требования к подводным лодкам сегодня изменились, но значительный модернизационный запас, изначально заложенный в проект, позволяет это учитывать. Боевая эффективность современных дизель-электрических подводных лодок проекта 636 существенно выше тех, которые строились в прошлом.
На зарубежном рынке мы предлагаем проект следующего поколения «Амур 1650», но и «Варшавянка» сохраняет свои позиции. Возможна ее поставка в различных модификациях, включая установку оборудования инозаказчика.
– «Новый корабль в старом корпусе» – это словосочетание сегодня актуально для надводного судостроения. Достаточно упомянуть перестройку «Горшкова» в «Викрамадитью» и ведущуюся на Севмаше модернизацию «Нахимова». А есть ли подобные примеры для подводных лодок? Актуально ли это направление?
– Наше бюро неоднократно выполняло такие работы. Сегодня мы работаем над модернизацией атомных подлодок проекта 949А. В дальнейшем подобные модернизации и переоборудования, видимо, станут обыденностью – в силу финансовых ограничений сроки службы кораблей увеличиваются, а поддержание их на современном уровне требует все больших усилий. Мы учитываем эту тенденцию и при проектировании новых кораблей, возможности и направления их будущей модернизации обсуждаются с ВМФ уже на самых ранних стадиях проекта.
– Строительство подводных лодок типа «Лада» сильно затянулось. Головной «Санкт-Петербург» так и не завершил опытную эксплуатацию, а первый серийный «Кронштадт» полтора года на плаву, но еще не приступил к полномасштабным приемо-сдаточным испытаниям. Вместе с тем наблюдается большой прогресс по строительству атомных крейсеров проекта «Борей-А» и ДЭПЛ проекта 636.3. Создается впечатление, что работы на «Ладах» ведутся по остаточному принципу. Так ли это? И что надо для ускорения работы по проекту 677?
– Головной корабль успешно завершил программу опытной эксплуатации. Соответствующий итоговый акт утвержден ВМФ. С того момента как Военно-морской флот РФ сформировал дополнительные требования к улучшенному проекту «Лады», мы существенно продвинулись вперед. Не обо всем можно говорить, это прерогатива заказчика. Как известно, Министерство обороны РФ законтрактовало серию этих кораблей. Что касается дальнейшего развития проекта, мы представили госзаказчику свои проработки.
– Специалисты высказывают мнение, что неатомные подводные лодки с ВНЭУ нужны России для эксплуатации на Севере, где с учетом ледовой обстановки важна подводная автономность. Вы согласны с этим мнением?
– Где именно применять неатомные подводные лодки с ВНЭУ, решает госзаказчик. Мы можем говорить лишь о том, что подводная лодка типа «Лада» хорошо себя показала в ходе испытаний как на Балтике, так и в полигонах Северного флота.
– Благодаря проектам 877 и 636 Россия стала одним из крупнейших в мире экспортеров ДЭПЛ. Однако в последние годы мы видим мало прямых продаж подводных лодок за рубеж, на первый план вышло лицензионное строительство в странах-заказчиках. Так, Италия, Турция и Южная Корея собирают у себя лодки германских проектов, Индия, Пакистан, Бразилия и Австралия – французских и т.п. Как вы думаете, может ли сложиться ситуация, при которой прямые продажи ДЭПЛ полностью останутся в прошлом, а страны-покупатели будут строить субмарины сами по иностранным чертежам? Может ли Россия вписаться в эту новую схему реализации неатомной подводной техники?
– С одной стороны, я бы не стал ожидать, что прямые продажи или любой другой инструмент полностью останутся в прошлом. За прошедшие десятилетия мы неоднократно слышали: «атомные лодки полностью вытеснят дизельные», «никто не купит подводную лодку без ВНЭУ» и тому подобное. Все эти лозунги оказались излишне смелыми. Потребности стран-заказчиков настолько разнообразны, что свою нишу на рынке находят самые разные технические и организационные решения. С другой стороны, тенденция постройки на верфях заказчика действительно становится все более осязаемой. Наше бюро тоже готовится к работе по такой схеме, взаимодействуя с промышленностью и ВМС Индии в рамках Программы 75, и по строительству в Индии шести новых подводных лодок.
При этом надо понимать, что современная подлодка – очень сложная машина, для ее строительства надо не только купить чертежи, но создать производственную и испытательную базу, подготовить производственный и инженерный персонал, наладить систему поставок оборудования и контроля качества и так далее. Все это входит в понятие «передача технологий» и невозможно без поддержки со стороны разработчика проекта. Передача знаний и навыков, выработанных десятилетиями, требует гораздо более высокого уровня взаимодействия разработчика и покупателя, нежели простое получение комплекта чертежей. Уровень передачи технологий, на который готов пойти поставщик, тоже может быть очень разным – тут есть и коммерческие аспекты, и вопросы безопасности. Наш опыт позволяет нам с уверенностью ориентироваться во всех этих вопросах.
– После постройки «Дельфина» и последующей за ним серии кораблей типа «Касатка», выделявшихся безотсечной однокорпусной конструкцией, поворотными торпедными аппаратами Джевецкого и другими отличительными особенностями, в мировом сообществе судостроителей стали говорить о так называемом «русском типе подводной лодки». Как вы считаете, можно ли сегодня использовать этот термин применительно к подводной технике настоящего времени? Имеют ли современные российские подлодки какие-либо особенности, несвойственные зарубежным субмаринам, прежде всего американским и европейским?
– Конечно, можно. Лодки каждой страны, сумевшей создать и сохранить школу подводного кораблестроения, имеют свой узнаваемый и неповторимый облик. Советскую и современную российскую школы отличают большое внимание к конструктивному обеспечению непотопляемости и взрывопожаростойкости. А также стремление к сокращению численности экипажа за счет высокого уровня автоматизации, высокие стандарты обитаемости – условия на наших подлодках во многом лучше, чем у наших иностранных коллег, и ряд других аспектов, не очень заметных на первый взгляд. Есть отличия и в мелочах. Например, российские неатомные подлодки имеют наружное противогидролокационное покрытие, тогда как на зарубежных лодках оно встречается крайне редко, а метод погрузки боезапаса через верхние торпедные аппараты во всем мире называется «русским».
– По воспоминаниям Б.М. Малинина, когда после Гражданской войны в Советском Союзе началось восстановление флота, не удалось обнаружить никаких рекомендаций, инструкций и учебников по проектированию и строительству подводных лодок, и это несмотря на то, что у царской России был достаточно сильный и развитый подплав. Получилось, что вместе с Бубновым ушел его опыт, его последователям пришлось многое постигать заново своим умом и по иностранным учебникам. Какие усилия «Рубин» предпринимает, чтобы эта история не повторилась? Известно, что издан учебник Ю.Н. Кормилицина и О.А. Хализева («Устройство подводных лодок»), вышли мемуары С.Н. Ковалева, И.Д. Спасского. Какие еще примеры передачи кораблестроительного опыта ветеранами «Рубина» следующим поколениям кораблестроителей вы могли бы привести?
– Да, эта история – поучительный пример того, что бывает, если хотя бы ненадолго остановить маховик проектирования и строительства лодок, пусть и по самым объективным причинам. К счастью, второго такого провала в истории отечественного подводного кораблестроения не случалось даже в самые тяжелые для страны годы. В процессе накопления и передачи опыта можно выделить несколько слоев: работа с вузами, передача опыта внутри бюро и обмен опытом с коллегами. В первом слое наше бюро плотно взаимодействует с ведущими вузами по своей специализации – СПбГМТУ («Корабелкой»), «Военмехом» и другими. Сотрудники бюро ведут занятия в этих университетах, а студенты проходят практику в бюро.
Второй слой – подготовка молодых специалистов в бюро. В рамках стажировки молодые сотрудники слушают лекции ведущих сотрудников, посещают заводы-строители и даже сдают мини-экзамены. В ходе ежегодной молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее» десятки молодых специалистов нашего бюро, заводов-строителей и наших контрагентов представляют свои идеи и получают объективную оценку своих работ опытных сотрудников бюро. Следующий по сложности слой – публикации и научные работы. За последние 10 лет у нас защищены три докторские и семь кандидатских диссертаций. Наш опыт отражается и в нормативной документации: «Рубин» – разработчик целого ряда отраслевых стандартов. Все эти усилия позволяют нам быть уверенными, что следующие поколения проектантов смогут опереться на 120 лет нашего опыта и успешно решать все более сложные задачи, ставящиеся динамичным современным миром.
Медицина и наука в спорте и физических упражнениях
Ли, Д. Т .; Тонер, М. М. FACSM; McArdle, W. D. FACSM; Врабас, I .; Пандольф, К. Б. FACSM
Информация об автореОтделение здоровья и физической подготовки, Куинс-колледж, Флашинг, штат Нью-Йорк, и US Army Res. Inst. Environ. Med., Натик, Массачусетс.
Мы сравнили влияние различной глубины на терморегуляцию при погружении в холодную воду. Семь мужчин (25 лет; 14% жира) были погружены в воду на срок до 135 минут в 12 различных условиях: на трех глубинах (колено [K], бедро [H] и грудь [Ch]) при двух температурах воды (T w ). , 15 ° C [15] и 25 ° C [25]) как в покое (R), так и во время тренировки (E: ≈36% VO 2max ).Ректальная температура (T re ) упала (P <0,05) во время всех тестов R, и снижение варьировалось от 0,52 ± 0,23 ° C в K-25 до 1,85 ± 0,68 ° C в Ch-15. Во время E T re упал (P <0,05) на 0,80 ± 0,51, 1,06 ± 0,36 и 1,76 ± 0,59 ° C в Ch-25, H-15 и Ch-15 соответственно, что не отличалось от изменений во время соответствующие испытания R. Однако во время H-25, K-25 и K-15 снижение T re было меньше в E (P <0,05), чем R. Во время R и E температура кожи была самой высокой (P <0.05) в H-25, K-25 и K-15, чем в других условиях. В обоих T w различия в продукции метаболического тепла (ΔW · m -2 ) между E и R (E минус R) были меньше (P <0,05) во время Ch, чем H и K. Снижение T re во время R и E был больше (ΔT относительно ) и быстрее (° C · мин -1 ) через 15, чем 25 (P <0,05) как для Ch, так и для H, но не K. Эти данные предполагают, что холодная вода Погружение в K мало влияет на T и во время E, но эффективность легких упражнений для компенсации потерь тепла во время погружения в холодную воду снижается по мере увеличения глубины погружения.
Описание раздела
H-15 ПОСТЕРНАЯ СРЕДА PHYSIOL III-COLD
© Williams & Wilkins 1996. Все права защищены.Погружение в холодную воду — Наука для спорта
Как погружение в холодную воду улучшает восстановление?Несмотря на обилие исследований CWI, основные механизмы его способности улучшать восстановление до сих пор полностью не изучены. Однако были предложены следующие теории:
- Сужение сосудов (сужение кровеносных сосудов).
- Обезболивающее (обезболивающее) действие холодной воды.
- Уменьшение воспалительных путей.
- Эффект плацебо.
- Гидростатическое давление.
Сужение сосудов
Одна теория предполагает, что погружение в холодную воду вызывает сужение сосудов, что приводит к снижению локализованного кровотока (5). Считается, что низкая температура активирует тепловые нервные клетки (ноцицепторы), что приводит к изменению активности симпатических нервов и, следовательно, отвечает за это снижение кровотока.Вызванное температурой уменьшение кровотока вокруг поврежденных тканей, вызванное физическими нагрузками, снижает отеки и воспалительную активность (6, 7).
Обезболивающее действие холодной воды
Вторая теория постулирует, что снижение восприятия боли происходит из-за обезболивающего эффекта холодной воды. При этом погружение в холодную воду приводит к снижению скорости нервной проводимости и возбудимости (8), тем самым уменьшая ноцицепторную связь с симпатической нервной системой (9, 10, 11).В конечном итоге это привело бы к снижению восприятия боли.
Уменьшение воспалительных путей
Другие предположили, что снижение восприятия боли связано с уменьшением воспалительных путей, а именно: снижением сенсибилизации ноцицепторов (12), уменьшением отека, вызванного физической нагрузкой (13), и уменьшением доступа к лейкоцитам (2, 14). Таким образом, эта теория представляет собой комбинацию эффектов и часто упоминается в исследованиях как основная физиологическая причина улучшенного восстановления.
Эффект плацебо
Другая теория предполагает, что эффективность CWI в уменьшении боли и утомляемости после упражнений в первую очередь зависит от психологического восприятия (т. Е. Эффекта плацебо). Это говорит о том, что человек просто чувствует себя более «бодрым» во время и / или после погружения в холодную воду, что вызывает снижение его чувствительности к боли (2, 15). Эта теория подтверждается недавним обширным обзором, проведенным Hohenauer et al. (3), которые сообщили, что CWI снижает восприятие спортсменами DOMS и RPE.
Гидростатическое давление
Другая теория связана с воздействием гидростатического давления на тело во время погружения в воду. Когда человек погружается в воду, он подвергается воздействию гидростатического давления. На каждый метр погружения градиент давления увеличивается на 74 мм рт. Ст. (Мм рт. Ст. = Миллиметры ртутного столба) — это почти равно типичному диастолическому кровяному давлению (80 мм рт. Поскольку градиент давления увеличивается с глубиной (т.е. чем глубже вы погружаетесь, тем большее давление оказывает), это гидростатическое давление вызывает сжимающее действие на тело внутрь и вверх.Именно этот механизм вызывает эффекты плавучести. Плавучесть снижает гравитационную нагрузку на тело, что означает, что такие объекты, как человеческое тело, весят меньше в воде. На рисунке 1 показано снижение веса тела при различных глубинах погружения в воду.
Отсутствующие реплики глубины в виртуальной реальности ограничивают производительность и качество трехмерных движений
Абстрактные
Фон
Целенаправленное достижение людьми реальных объектов обеспечивается с помощью визуальных сигналов глубины.В виртуальных средах количество и качество доступных визуальных подсказок глубины ограничено, что может повлиять на производительность и качество выполнения движений.
Методы
Мы оценили трехмерные движения в пяти экспериментальных группах по десять здоровых добровольцев в каждой. Три группы использовали двухмерный компьютерный экран, а две группы использовали головной дисплей. Первая группа экранов получала обычно воссозданные визуальные подсказки глубины, такие как воздушная и линейная перспектива, окклюзия, тени и градиенты текстуры.Вторая группа экранов получила абстрактный минимальный рендеринг, которого не было. Третья группа экранов получила реплики первой группы экранов и реплики абсолютной глубины, разрешенные размером изображения на сетчатке глаза известного объекта, что реализовано с помощью визуальных визуализаций портативного устройства и карманного компьютера-призрака в целевом местоположении. Две группы головных дисплеев получили те же виртуально воссозданные визуальные сигналы глубины, что и вторая или третья группа экранов соответственно. Кроме того, они могли полагаться на стереопсис и параллакс движения из-за движений головы.
Результаты и заключение
Все группы, использующие экран, показали значительно худшие результаты, чем обе группы, использующие налобный дисплей, с точки зрения времени завершения, нормированного на расстояние по прямой до цели. Обе группы, использующие дисплей, закрепленный на голове, достигли оптимального минимума по количеству пиков скорости и соотношению движений руки, что указывает на то, что наши испытуемые выполняли естественные движения при использовании дисплея, закрепленного на голове. Виртуально воссозданные визуальные подсказки глубины мало повлияли на производительность.Только группа экранов с визуализированными портативными устройствами могла превзойти другие группы экранов. Таким образом, если достижение производительности в виртуальных средах входит в основную цель исследования, мы предлагаем использовать головной дисплей. В противном случае, когда используются двухмерные экраны, достижимые характеристики, вероятно, будут ограничены сниженным восприятием глубины, а не только моторикой испытуемых.
Образец цитирования: Gerig N, Mayo J, Baur K, Wittmann F, Riener R, Wolf P (2018) Отсутствующие реплики глубины в виртуальной реальности ограничивают производительность и качество трехмерных движений с охватом.PLoS ONE 13 (1): e0189275. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275
Редактор: Йих-Куен Ян, Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн, США
Поступила: 18.07.2017; Одобрена: 22 ноября 2017 г .; Опубликован: 2 января 2018 г.
Авторские права: © 2018 Gerig et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.
Доступность данных: Анонимные данные результатов доступны без ограничений и загружаются в качестве дополнительных материалов. Однако демографические данные участников держатся в секрете из-за этических требований ETH Zurich. Административным органом для хранения всех исходных данных исследований, демографических данных субъектов и обмена данными в соответствии с положениями швейцарского закона об исследованиях на людях (HFG) является Лаборатория сенсорно-моторных систем (Департамент медицинских наук и технологий, ETH Zurich).Контактный адрес учреждения для запросов относительно дальнейшего доступа к данным: Электронная почта: [email protected] Официальный почтовый адрес: ETH Zurich Sensory-Motor Systems Lab Tannenstrasse 1 TAN E 5 8092 Zurich Switzerland
Финансирование: Эта работа был поддержан грантом SNF-Grant «Ускорение сложного моторного обучения с помощью проектирования обратной связи и автоматического выбора, зависящего от уровня навыков», CR23I2_152817 и CRRP «Neuro-Rehab» Университета Цюриха.
Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.
Введение
Достижение цели к объекту — это важное движение, позволяющее захватывать, перемещать или манипулировать объектами [1]. Способность выполнять целенаправленное достижение часто нарушается из-за снижения мышечной функции или мышечного контроля после травмы спинного мозга или инсульта [2].
За последние два десятилетия были разработаны роботы и инструментальные установки для улучшения реабилитационной терапии верхних конечностей [3]. Роботы или инструментальные установки, оснащенные датчиками, можно использовать для дополнения терапевтических упражнений виртуальной реальностью.Виртуальная реальность может обеспечить расширенную обратную связь для повышения эффективности обучения [4] и может повысить мотивацию [5, 6]. Кроме того, воспроизводимые условия для количественной оценки движений могут быть реализованы с помощью виртуальной реальности и датчиков [2, 7]. Такие количественные оценки могут привести к более объективной классификации нарушения или функции, что приведет к лучшему пониманию процесса реабилитации и, в конечном итоге, к более эффективному планированию индивидуальной терапии.
Однако виртуальная реальность может ограничивать естественное восприятие целей или целей движения, что может повлиять как на планирование движения, так и на выполнение.Эти недостатки могут привести к тому, что тренированные движения будут отличаться от естественных движений, что приведет к появлению артефактов движения или искусственных моделей движений. Такие модели искусственных движений нежелательны, потому что они могут уменьшить перевод обучения во время реабилитации в повседневную жизнь и снизить информативность количественных оценок.
В то время как недостатки роботов и датчиков зависят от используемого оборудования, принципы виртуальной реальности и отображения одинаковы для широкого спектра различных реабилитационных роботов.Как правило, трехмерный виртуальный мир с объектами, которые должны быть схвачены или собраны пользователем, отображаются на двухмерном экране компьютера или проекторе, например в [8, 9]. Поэтому мы хотели количественно оценить ограничения таких типичных установок виртуальной реальности на естественные движения.
Естественные движения в трехмерном пространстве требуют планирования и восприятия местоположения цели. В то время как визуальное восприятие местоположения цели в корональной плоскости относительно просто из-за расположения фоторецепторов на сетчатке, людям необходимо полагаться на различные визуальные сигналы глубины, чтобы воспринимать расстояние до цели [10].Используя виртуальную реальность, предоставление этих естественных сигналов глубины ограничено. Некоторые реплики глубины могут быть искусственно воссозданы с соответствующими визуализациями в виртуальном мире, например воздушная перспектива, линейная перспектива, параллакс движения, окклюзия, тени, градиенты текстуры или размер изображения сетчатки глаза с объектами известного размера. Другие признаки глубины ограничены двумерными компьютерными экранами, например стереопсис требует индивидуального изображения для каждого глаза. Глазодвигательные сигналы глубины могут быть вообще нереализуемы, поскольку фокус линзы глаза зависит от расстояния до дисплея, а не от цели.
Исследование эгоцентрического восприятия расстояния в виртуальной реальности охватывает восприятие расстояния между виртуальным объектом и пользователем (см. Обзор в [11]). Однако исследования в этой области проводились в основном изолированно от цикла «действие-восприятие». Остается неясным, требуется ли эгоцентрическое восприятие расстояния для замкнутого цикла действия-восприятия, например при обучении и оценке функции достижения с помощью виртуальной реальности: потенциально отношения глубины между объектами в виртуальной реальности предоставляют достаточную информацию для человеческого мозга, чтобы создать зрительно-моторное отображение для выполнения движений с естественной кинематикой движения.Вывод о том, что релевантность и относительная важность сигналов глубины зависит от поставленной задачи, по-видимому, подтверждается как исследованиями эгоцентрического восприятия расстояния [11], так и экспериментами с замкнутым циклом действия-восприятия (например, [12]). Для обучения или оценки трехмерных движений с охватом отсутствуют рекомендации по проектированию виртуальных сред.
В то время как в реабилитационных установках обычно используются двухмерные экраны, на потребительский рынок развлечений вышло новое поколение головных дисплеев (HMD).Современные системы отображения на голове (например, HTC Vive [High Tech Computer Corporation, Таоюань, Тайвань] , Oculus Rift [Oculus VR LLC, Menlo Park, Калифорния, США] , Sony PlayStation VR [Sony Corporation, Минато, Токио, Япония] , предоставляют доступные решения для стереопсиса, большого поля зрения и отслеживания головы для визуализации виртуального мира в зависимости от угла обзора и положения. Обеспечивают ли эти системы потенциал для улучшения реабилитационной терапии за счет уменьшения потенциальных ограничений типичного дисплея сетапы не исследовались.
Для количественной оценки достижения функции или нарушений должны быть оценены необработанные данные датчиков или траектории движения руки, например: Метрики плавности используются для описания эффективности движения или качества управления моторикой, часто применяются с целью измерения восстановления [7]. Такие показатели были основаны на теоретических предположениях, например эти естественные, идеально энергоэффективные движения от точки к точке должны быть прямыми и состоять из одного пика скорости только с одной фазой ускорения и одной фазой замедления.Хотя эти показатели могут обеспечить простую интерпретацию из-за их теоретического предела, знание того, как движения были затронуты и ограничены в этих показателях, имеет решающее значение для их интерпретации, например ограничения, возникающие в связи с настройкой, должны быть известны, чтобы судить о нарушении или работе. Если здоровые люди не выполняли движения по прямой с одним пиком скорости в данной установке, потребуется обширный нормативный набор данных, чтобы судить о движениях пациента по достижению цели.
Эта работа была направлена на количественную оценку эффектов на достижение показателей производительности и качества движений у здоровых субъектов, вызванных ограничениями в глубинном рендеринге сигналов.Мы хотели показать потенциал между существующими современными установками для реабилитации и тем, что возможно с текущим потребительским оборудованием. Кроме того, мы хотели разработать практические предложения по созданию виртуальной реальности для трехмерной лечебной терапии. Мы достигли этих целей, сравнивая достигнутые результаты и качество движения здоровых субъектов в различных условиях экрана и отображения на голове.
Материалы и методы
Экспериментальная установка
Испытуемые сидели в контролируемой позе по центру перед столом с подушками (рис. 1).Эксперименты проводились с системой виртуальной реальности HTC Vive [High Tech Computer Corporation, Таоюань, Тайвань] , управляемой настольным компьютером (Microsoft Windows 10 [Microsoft Corporation, Редмонд, штат Вашингтон, США] , Intel i5-6600K ЦП с частотой 3,5 ГГц [Intel Corporation, Санта-Клара, Калифорния, США] , Nvidia GTX 1080 GPU [Nvidia Corporation, Санта-Клара, Калифорния, США] ). HTC Vive состоит из наголовного дисплея (1080 x 1200 пикселей на глаз при 90 Гц, поле обзора 110 ° по горизонтали, 0.6 кг), портативный контроллер (0,2 кг) и оптическую систему слежения Valve Lighthouse [Valve Corporation, Белвью, штат Вашингтон, США] (рис. 1). По заявлению производителя, Lighthouse предлагает субмиллиметровую точность и частоту обновления от 250 Гц до 1 кГц [13]. Субъекты, которые не использовали головной дисплей, по-прежнему работали с тем же контроллером HTC Vive, но виртуальная среда отображалась с помощью настольного монитора (HP LP2065 [HP Incorporated, Пало-Альто, Калифорния, США] , 20 дюймов, 1600×1200 @ 85 Гц).Настольный монитор располагался на расстоянии 0,9 м от края стола, обращенного к пользователю. Это экранное расстояние было выбрано таким же, как и в случае трехмерных роботизированных реабилитационных установок [8], чтобы избежать столкновения испытуемых с экраном, когда их рука была полностью вытянутой. Виртуальная реальность и регистрация исходных данных (примерно с частотой 1 кГц) были реализованы в специально разработанной игре Unity [Unity Technologies, Сан-Франциско, Калифорния, США] с использованием библиотеки OpenVR [14].
Рис. 1. Субъект, использующий экспериментальную установку.
Испытуемый сидел за мягким столом в положении отдыха, обозначенном полосой в центре стола. Портативный (правая рука) и налобный дисплей (голова) отслеживались Маяком с одной базовой станцией, видимой сзади. Настольный монитор был расположен и ориентирован так, как использовался во время экспериментов без головного дисплея. Более четкое изображение виртуальной сцены с лучшим контрастом и цветами представлено на рис. 2. Изображенный человек является соответствующим первым автором.Человек в этой рукописи дал письменное информированное согласие (как указано в форме согласия PLOS) на публикацию этих деталей дела.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275.g001
Задача и протокол
Испытуемые должны были переместить виртуальный розовый цилиндрический указатель (длина 0,05 м, диаметр 0,01 м) из положения покоя на столе к целевой сфере и удерживать часть указателя внутри индивидуальной целевой сферы в течение двух секунд.Мишень диаметром 0,04 м была желтой и полупрозрачной. Если какая-либо часть указателя находилась в пределах целевой сферы, цилиндрический указатель отображался зеленым, а не розовым. Цилиндрический указатель находился на трекпаде КПК и указывал наклонно вверх-вперед. Расположение и ориентация были выбраны так, чтобы приблизить кончик большого пальца к номинальному размеру руки и захвату КПК.
Испытуемые были проинструктированы выполнить задание как можно быстрее.Контролируемый пространственный допуск, задаваемый сферой 0,04 м, был рассмотрен для управления компромиссом скорости и точности и обоснования времени до завершения в качестве разумного основного показателя результата. Всего каждому испытуемому было предъявлено 33 задачи. Мишени были распределены по четверти сферы радиусом 0,32 м. Первые четыре мишени были размещены на краю рабочего пространства и служили для проверки диапазона движений испытуемых и ознакомления их с процедурой выполнения задания. Все испытуемые получили одинаковые мишени в одном и том же порядке.
В начале каждого испытания целевая сфера отображалась в исходном положении. Как только субъект достиг исходной позиции, начинался 15-секундный обратный отсчет. Первые 10 секунд этого обратного отсчета были предоставлены как период отдыха перед постановкой следующей цели, чтобы избежать утомления. В течение этих первых 10 секунд визуально отображался обратный отсчет с 15 до 6. Следующая цель была представлена за 5 секунд до окончания обратного отсчета, чтобы позволить субъекту определить местонахождение цели в пространстве и спланировать движение.Чтобы избежать загораживания декораций, начальный обратный отсчет от 5 до 0 визуально не отображался. Вместо этого последние 3 с (3, 2, 1) были обозначены звуками 440 Гц продолжительностью 0,2 с каждый, а начальный звук в конце обратного отсчета с частотой 880 Гц и длительностью 0,2 с, имитируя начальные звуки. обычно используется для виртуальных автомобильных гонок. Пусковой звук сопровождался небольшим вибрационным импульсом, реализованным с помощью КПК. В случае фальстарта, т. Е. Выхода из сферы диаметром 0,04 м вокруг стартовой позиции перед стартовым сигналом, испытание исключалось из анализа.После фальстарта или завершения задачи начальная позиция снова указывалась целевой сферой. Как только субъект вернулся в исходное положение, начался обратный отсчет следующих 15 секунд.
Чтобы поддерживать мотивацию испытуемых, они получали обратную связь по выполнению последнего достигнутого движения во время отдыха. Оценка S i движения i была рассчитана как S i = 300 · d i / Δ t 9154 i, где d i — это расстояние по прямой между начальной и целевой позицией в метрах, а Δ t i — время наведения на цель в секундах (т.е.е. время до завершения задачи без последних двух секунд задержки). Усиление было выбрано таким, чтобы обычно достигалось двух- или трехзначное целое число.
Кинематическая оценка
Основной результат: время достичь цели.
Эксперимент был спроектирован таким образом, что время, необходимое для достижения цели, было основным результатом, прямо отражающим обратную сторону достижения производительности. Начальная временная точка, конечная временная точка (когда началось успешное время задержки 2 с) и время до цели (разница между ними) регистрировались непосредственно из событий в специально созданной игре Unity.
Вторичные результаты: количество пиковых скоростей и передаточное отношение ручного пути.
Количество пиков скорости и соотношение пути движения руки — это меры, которые применялись в исследованиях для оценки плавности движений, количества дополнительных движений или качества моторного контроля [7]. Эти вторичные результаты оценивались в специально написанных сценариях Matlab на основе необработанных данных о местоположении, которые были зарегистрированы в отдельном потоке специально созданной игры Unity. Для оценки необработанные данные были сегментированы на отдельные движения с использованием начальной временной точки и конечной временной точки, записанных в игровых событиях.
В этой работе количество пиковых скоростей оценивалось как количество пиков в сглаженном сигнале скорости, которые имели выступ (т. Е. Высоту пика локального максимума по сравнению с соседними локальными минимумами) более 5% от общего диапазона, наблюдаемого в сглаженный сигнал скорости этого движения. Сглаженный сигнал скорости был получен путем применения того же фильтра нижних частот (конечный импульсный отклик, конструкция равнопроходного канала, частота полосы пропускания 0,12 Гц, частота полосы задерживания 31 Гц, пульсация полосы пропускания 1 дБ, затухание полосы задерживания 60 дБ) вперед и назад по норме Эйлера. скорости.Скорость рассчитывалась как разность исходных позиций по выборке, деленная на время выборки. Автоматическое определение пиковой скорости может не идентифицировать возможный последний пик скорости в случае, если замедление было выполнено во время пребывания внутри целевой сферы.
Коэффициент траектории движения руки был получен путем деления длины движения, выполненного субъектом, на расстояние до эталонной цели. Длина выполненного движения была получена путем суммирования нормы Эйлера выборочной разницы исходных позиций.Соотношение траектории руки, равное точно 1, может отражать идеальную прямую линию от центра сферы начального положения до центра целевой сферы. Поскольку возможны более короткие перемещения изнутри стартовой сферы внутрь целевой сферы, чем от центра к центру, также возможны пути движения рук меньше 1.
Виртуальная среда и экспериментальные группы
Виртуальная среда для достижения движения была разработана, чтобы обеспечить минимальное количество визуализированных объектов и отвлекающих факторов, обеспечивая при этом все необходимые объекты для реализуемых визуальных подсказок глубины (см. E.грамм. [10] для обзора сигналов глубины). В отличие от виртуальных сред, используемых в реабилитационном обучении, которые часто бывают артистичными и обогащенными мотивирующими элементами, этот минималистский подход к виртуальной среде был выбран, чтобы максимизировать ясность применяемых сигналов глубины и обеспечить нейтральную среду оценки. Предполагалось, что нейтральная среда оценки способствует уменьшению различий в мотивации между испытуемыми, по-разному реагирующими на элементы контекста. Кроме того, нейтральные объекты с реалистичными масштабируемыми размерами не использовались в фоновом пейзаже, поскольку виртуальные среды, используемые при реабилитации, часто не имеют таких объектов, например.грамм. в нейтральной среде оценивания или в чисто мотивационных обучающих играх. Пять экспериментальных групп были исследованы в параллельном дизайне блоков, которые получили различные визуальные подсказки глубины (характеристики группы представлены в таблице 1).
Группа Screen State Группа имитировала типичное состояние, которое обычно используется в реабилитации с улучшенной виртуальной реальностью (рис. 2, слева). Группа Screen Minimal была добавлена для сравнения, чтобы увидеть, оправдывают ли обычно предоставляемые подсказки глубины Screen State затраты на разработку, усилия и ограничения в творческой свободе для мотивационного игрового дизайна (рис. 2, посередине).Группа Screen Full была измерена для исследования открытого потенциала между текущим состоянием экрана ( Screen State ) и тем, что все еще возможно при использовании того же оборудования (рис. 2, справа). В отличие от вышеупомянутых групп HMD Minimal и HMD Full были группами, записанными для иллюстрации открытого потенциала с включением налобных дисплеев. Детали рендеринга были такими же, как для соответствующих групп экранов (рис. 2, в центре и справа). HMD Full должен показать ограничения того, что в настоящее время возможно. HMD Minimal был добавлен, чтобы исследовать, оправданы ли затраты на разработку, усилия и ограничения в художественной свободе для дополнительных сигналов глубины при использовании монтируемого на голову дисплея.
Рис. 2. Сравнение различных визуализаций виртуальной реальности.
Все три условия показывают, что розовый указатель движется к желтой целевой сфере 5 -й цели . Современный рендеринг (слева) объектов в Screen State включает туман, линейную перспективу, травы, тени и текстуры.Минимальный рендеринг (в центре) предметов в группах Screen Minimal и HMD Minimal не имеет этих признаков глубины. Полный рендеринг объектов в группах Screen Full и HMD Full дополнительно содержит визуализированный карманный компьютер и карманный компьютер-призрак, расположенный у цели. Наладонник-призрак был визуализирован в горизонтальной ориентации по умолчанию, чтобы объекты не пытались соответствовать ориентации (соответствие ориентации могло изменить задачу).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275.g002
Субъекты
Всего было набрано 56 здоровых добровольцев и псевдослучайно распределено в разные экспериментальные группы. Набор, рандомизация и утверждение комиссией по этике проводились в два этапа.
На первом этапе были набраны 17 здоровых добровольцев, которые псевдослучайно были отнесены либо к Screen State , либо к HMD Full . Назначение производилось на основе случайно составленного списка, что обеспечивало примерно равные размеры групп.Протокол эксперимента и набор субъектов были одобрены Комиссией по этике ETH Zurich (EK 2014-N-21).
На втором этапе было набрано и псевдослучайно распределено 39 здоровых добровольцев. Распределение проводилось на основе случайно составленного списка, чтобы в конце исследования в каждой группе было по 10 субъектов. Чтобы получить разрешение на продолжение эксперимента по тому же протоколу и на набор дополнительных субъектов, Комиссия по этике ETH Zurich получила новое одобрение этики (EK-2017-N-13).
До эксперимента испытуемые не имели опыта выполнения нашей задачи по достижению цели. Однако некоторые испытуемые правильно угадали экспериментальную гипотезу во время испытания. Все испытуемые должны были иметь диапазон движений, совместимый с экспериментом, быть в возрасте от 18 до 40 лет, заниматься спортом не менее получаса в неделю и не сообщать о некорректированных дефектах зрения или слуха. Все испытуемые должны были выполнять задание правой рукой. Доминирующая рука испытуемых определялась с помощью Эдинбургской инвентаризации рук [15].Левши и амбидекстры были исключены из анализа. Предел ± 30 по шкале Эдинбургской руки был применен для идентификации субъектов, владеющих обеими руками, как предложено в [16].
На первом этапе из анализа данных были исключены один левша и два человека, владеющих обеими руками. Их исключение было исправлено в случайно переставленном списке назначений для второй фазы. На втором этапе были исключены один левша и один субъект, владеющий обеими руками. Кроме того, во второй фазе был исключен третий субъект, который сообщил об отсутствии стереозрения из-за необратимого повреждения глаз.Исключение во второй фазе было исправлено за счет набора большего количества субъектов с групповым распределением по методу подбрасывания монеты. В общей сложности для оценки были получены данные от 50 субъектов (10 в группе, всего 12 женщин, средний возраст 26,6 года, стандартное отклонение 5,0 лет), удовлетворяющих критериям включения.
Человек, изображенный как на рис. 1, так и на видео S1, является соответствующим первым автором. Человек в этой рукописи дал письменное информированное согласие (как указано в форме согласия PLOS) на публикацию этих деталей дела.
Статистическая оценка
Статистическая оценка была выполнена в Matlab (R2017a) [The MathWorks Incorporated, Натик, Массачусетс, США] . Уровень значимости для всех тестов был установлен на α = 0,05. Статистические тесты с p <0,1 считались тенденциями.
Для каждого испытуемого было рассчитано одно среднее время достижения цели на эталонном расстоянии на основе всех его / ее действительных (не ранних) движений.Для полученных средних значений 50 субъектов (5 групп по 10 субъектов в каждой) был проведен тест Левена для предположения о равной дисперсии. В случае, если дисперсия между группами значительно различалась, вместо одностороннего дисперсионного анализа выполнялся непараметрический тест Краскела-Уоллиса. Множественные сравнения корректировали апостериорным тестом Тьюки-Крамера.
Для вторичных результатов та же процедура была применена для исследования групповых различий: создание средних значений субъектов, проверка предположения о равной дисперсии между группами, применение одностороннего дисперсионного анализа ANOVA или Крускалла-Уоллиса, соответственно, и, наконец, корректировка множественных сравнений с использованием Тьюки-Крамера. .
Чтобы получить более подробное представление о зависимостях первичного результата, был проведен линейный анализ смешанной модели для целевой переменной первичного результата на уровне каждого отдельного движения. Подходящие линейные смешанные модели были подобраны методом максимального правдоподобия. Анализ линейной смешанной модели был начат с глобального перехвата и зависящего от предмета случайного эффекта (1 | предмет ), исправляющего внутрипредметную корреляцию. Процесс поиска модели был продолжен итеративно путем добавления фиксированных эффектов и взаимодействия предполагаемых прогнозных переменных.Каждая расширенная модель должна была объяснять наблюдаемые данные значительно лучше, чем ее родительская модель, или была отклонена. Тесты отношения правдоподобия ( х 2 ) использовались для проверки расширенных моделей в сравнении с их родительскими. Для моделей равной статистической сложности была выбрана модель с более высоким правдоподобием. Следующие прогнозные переменные рассматривались в качестве предикторов: группа, целевое число и либо контрольное расстояние, либо улучшенная формулировка индекса сложности Фиттса [17]. Индекс сложности Фиттса рассчитывался по fittsID = log 2 (1 + d ref / w target ), где d ref ref опорное расстояние до цели и w цель ширина цели.В качестве предикторов мы использовали либо эталонное расстояние, либо индекс трудности Фиттса, потому что ширина цели была постоянной в нашем эксперименте ( w цель = 0,04 м мяч для настольного тенниса). Целевое число было включено, чтобы изучить, как улучшения с течением времени влияют на результат нашего исследования.
Для полученной линейной смешанной модели допущение о нормально распределенных остатках было визуально проверено с использованием нормального графика Q-Q. В случае распределения остатков с тяжелыми хвостами анализ повторяли для логарифмического преобразования первичного результата.Предельное тестирование ANOVA для остатков использовалось для получения p -значений для фиксированных эффектов и взаимодействий полученной модели.
Результаты
Оцененные образцы и отсутствующие точки данных
Раннее начало происходило в 23 из 1450 оцениваемых движений (29 движений на каждого испытуемого, 10 испытуемых на группу, 5 групп). Большинство испытуемых (35/50) не выполнили ранний старт, десять испытуемых выполнили 1 ранний старт, четыре предмета выполнили 2 раннего старта и один испытуемый выполнил 5 ранних старта.Группа с этим последним субъектом HMD Minimal стартовала раньше всех: 11 из 290 движений. Напротив, группа Screen Full имела наименее ранние старты: 1 из 290 движений. Из-за небольшого количества ранних запусков они были проигнорированы при дальнейшей оценке.
Отдельная запись необработанных данных не удалась во время эксперимента для 6 субъектов. Хотя время первичного исхода до целевого значения не изменилось, вторичные кинематические исходы могли быть оценены только для оставшихся 44 субъектов.
Движения, которые были короче 0,235 с, должны были быть исключены из автоматического определения пика скорости из-за ограничений применяемого сглаживания и были исключены из оценки. Кроме того, 24 движения были проверены визуально и скорректированы от 0 автоматически обнаруженных пиков скорости до 1 пика скорости из-за того, что замедление было внутри целевой сферы и отключено сегментацией. Всего было оценено 1239 движений 44 испытуемых на количество пиков скорости. Соотношение траектории движения рук было оценено для 1253 движений у 44 пациентов.
Средние субъектные групповые различия
Среднее время достижения цели на эталонное расстояние не показало значительных различий в тесте Левена, но указывало на тенденцию к различным отклонениям ( F 4,45 = 2,413, p = 0,063). Односторонний дисперсионный анализ выявил значимые групповые различия ( F 4,45 = 67,980, p = 1,712 × 10 −18 ). Группа Screen State значимо не отличалась от группы Screen Minimal , а группа HMD Minimal существенно не отличалась от группы HMD Full , все остальные сравнения групп показали значимые различия в группах по шкале Тьюки. Апостериорный тест Крамера (рис. 3, табл. 2).
Рис. 3. Среднее время достижения цели при сравнении групп эталонного расстояния.
Прямоугольники в групповом цвете обозначают медиану и 50 интервалов охвата. Усы указывают на стандартное отклонение ± 2,7 или интервалы охвата 99,3%. Маленькие символы плюса обозначают выбросы. Горизонтальные черные полосы над прямоугольниками обозначают значительные групповые различия в апостериорном тесте Тьюки-Крамера; Состояние, отмеченное звездочкой, значительно отличалось от условий, обозначенных небольшими вертикальными полосами.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275.g003
Среднее количество пиковых скоростей на одно движение испытуемого показало значительно различающиеся вариации в тесте Левена ( F 4,39 = 7.990, p = 8,342 × 10 −5 ). Краскал-Уоллис выявил значимые групповые различия (, p = 2,741 × 10 −7 ). В ретроспективном исследовании Тьюки-Крамера только две группы, носившие HMD, значительно отличались от Screen State и Screen Minimal (рис. 4, таблица 2).
Рис. 4. Предметное сравнение среднего количества пиков скорости в группах.
Прямоугольники в групповом цвете обозначают медиану и 50 интервалов охвата. Усы указывают на стандартное отклонение ± 2,7 или интервалы охвата 99,3%. Маленькие символы плюса обозначают выбросы. Горизонтальные черные полосы над прямоугольниками обозначают значительные групповые различия в апостериорном тесте Тьюки-Крамера; Состояние, отмеченное звездочкой, значительно отличалось от условий, обозначенных небольшими вертикальными полосами.
https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0189275.g004
Среднее отношение траектории руки испытуемого вело себя с использованием той же модели, что и среднее число пиковых скоростей: тест Левена не прошел ( F 4,39 = 5,331, p = 1,597 × 10 −3 ) и Краскал-Уоллис выявили значимые групповые различия (, p = 3,734 × 10 −7 ). Кроме того, были обнаружены такие же значимые групповые различия в post-hoc, что и в среднем количестве пиковых скоростей (Таблица 2).
Анализ линейной смешанной модели времени достижения цели
Линейная смешанная модель анализа времени до достижения цели привела к получению графика Q-Q с тяжелыми хвостами, что нарушает допущение для нормально распределенных остатков.Таким образом, анализ линейной смешанной модели был завершен с использованием преобразования времени до цели log 2 в качестве зависимой переменной. Модели, использующие улучшенную формулировку индекса сложности Фиттса в качестве фиксированного эффекта, достигли более высокого правдоподобия при такой же статистической сложности, чем модели, напрямую использующие эталонное расстояние.
ANOVA предельное тестирование полученной линейной смешанной модели для преобразования времени до цели log 2 выявило значительный групповой основной эффект ( F 4,1416 = 33.048, p = 2,215 × 10 −26 ), значимая линейная зависимость от увеличения целевого числа ( F 1,1416 = 107,37, p = 2,665 × 10 −24 ), значительная линейная зависимость от индекса сложности Фиттса ( F 1,1416 = 46,255, p = 1,526 × 10 −11 ) и значимое взаимодействие между группой и индексом сложности Фиттса ( F 3,1416 = 2,701, p = 0.029). Точки необработанных данных о достигнутом времени для достижения цели сверх целевых чисел, а также окончательные модели показаны на рис. 5. Модель, основанная на 1427 наблюдаемых движениях. Коэффициенты модели для Screen State в качестве группы базового уровня представлены в таблице 3.
Рис. 5. Время достичь целевых показателей, включая окончательные линейные смешанные модели.
Необработанные данные неоцененных целей (от 1 до 4) показаны маленькими кружками в соответствующем групповом цвете. Необработанные данные оцененных целей с маленькими крестиками.Ось Y масштабируется, чтобы соответствовать всем оцененным необработанным данным (крестики), четыре точки данных неоцененных данных (кружки) между 8,5 с и 12 с были обрезаны. Сплошные линии в соответствующем цвете группы обозначают оценку линейной смешанной модели без привязки к конкретному субъекту для текущей цели с пунктирными границами достоверности. Кусочная линейность на графике возникает из-за зависимости от индекса сложности Фиттса, который возник из разных контрольных расстояний до цели. Черная вертикальная полоса указывает значимые групповые смещения между контрольным уровнем Состояние экрана (*) для обеих групп HMD (обозначены небольшими горизонтальными черными линиями).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275.g005
Обсуждение
Групповые различия в достижении производительности
Отсутствуют групповые различия между
Состояние экрана и Минимальный экран .Отсутствующие групповые различия между Screen State (Рис. 2, слева) и Screen Minimal (Рис. 2, посередине) указывают на то, что подсказки глубины, обычно реализуемые с двумерными экранами, не обеспечивают какого-либо измеримого преимущества в достижении производительности ( Рис 3).Единственным признаком глубины, доступным для субъектов в Screen Minimal , был размер объекта целевой сферы, на который была сделана ссылка. Либо этот относительно ссылочный сигнал о размере изображения сетчатки был доминирующим сигналом для трехмерных движений, так что другие предоставленные сигналы глубины не имели значения, либо все другие предоставленные сигналы глубины из Screen State оставались слишком абстрактными для наших субъектов, чтобы их можно было интуитивно использовать. В последнем случае субъекты в Screen State могли бы научиться использовать эти сигналы глубины, если бы они тренировались в течение более длительного времени в этом состоянии, и в конечном итоге превзошли субъектов в группе Screen Minimal .Однако в нашем линейном анализе смешанной модели не наблюдалось никаких групповых различий в улучшениях по сравнению с целевыми числами (потенциальное обучение) (рис. 5). Следовательно, неясно, сколько испытаний потребуется, чтобы обучение произошло и стало актуальным.
Мы пришли к выводу, что для двухмерных экранов современные визуализации не были полезны для восприятия глубины по сравнению с абстрактными визуализацией.
Group
Screen Full превосходит другие группы Screen .Дополнительное обеспечение объекта с абсолютной привязкой известного размера привело к значительному сокращению времени до цели на опорном расстоянии (рис. 3).
Ответственность за повышение производительности вызывает повышенное восприятие глубины из-за этого объекта известного размера, на который имеется ссылка, остается под вопросом. Отображение отслеживаемого портативного устройства в виртуальной среде могло бы повысить воспринимаемое пространственное погружение и общее присутствие в виртуальной среде.Увеличение погружения может привести к тому, что другие доступные сигналы глубины станут интуитивно понятными, или может повысить мотивацию испытуемых [18], что приведет к искажению наблюдаемых достижений.
Размещение призрачных ручек в целевых позициях является серьезным ограничением проектирования для трехмерных виртуальных сред: если одновременно отображалось несколько допустимых целей, размещение призрачных карманных компьютеров может стать невозможным. Потенциально преимущества объектов известного размера с абсолютной ссылкой также могут быть достигнуты без использования портативных компьютеров-призраков, например.грамм. желтый мяч для пинг-понга размером с целевую сферу, установленный над экраном или переданный субъекту для удержания в левой руке, может иметь такой же эффект.
Мы пришли к выводу, что для двухмерных экранов, обеспечивающих как ручной рендеринг, так и портативные призрачные объекты на целевых объектах, уменьшаются трудности для пользователей при взаимодействии с виртуальной средой. Мы настоятельно рекомендуем включать абсолютно ссылочные объекты известного размера в дизайн виртуальной среды для 2D-экранов.
Группы HMD превосходят группы Screen .Хотя мы ожидали, что группы головных дисплеев (HMD) будут работать лучше, мы были удивлены тем, насколько сильным был наблюдаемый эффект (рис. 3). И стереопсис, и параллакс движения при отслеживании движений головы могли быть ответственны за улучшение восприятия глубины.
Помимо улучшенного восприятия глубины, увеличенное поле зрения и, как правило, повышенное погружение HMD, возможно, улучшили наблюдаемые характеристики достижения. Одна из интерпретаций наших результатов может заключаться в том, что использование HMD было настолько захватывающим для испытуемых, что они могли полагаться исключительно на подсознательный моторный контроль, то есть им нужно было только активно думать о том, куда перемещать карманный компьютер, но не о самом выполнении движения.Напротив, испытуемые, эффективно использующие 2D-экраны, должны были сознательно использовать зрительно-моторный контроль, чтобы синхронизировать как движения своих рук в реальном мире, так и отображаемые движения на экране. Таким образом, эта дополнительная умственная нагрузка, связанная с активным использованием зрительно-моторного контроля и отображением реального мира в виртуальный, могла быть частично ответственной за более низкую производительность.
Помимо более низких требований к зрительно-двигательному контролю, мотивационная предвзятость из-за повышенного погружения также могла способствовать более высокой наблюдаемой производительности.Мы попытались создать группу с фиктивным контролем: субъекты, носящие шлемы, видят визуализированный виртуальный экран, на котором пейзаж отображается в 2D. Из-за ограниченного горизонтального разрешения HMD результирующее 2D-разрешение виртуального экрана было слишком плохим (<260 пикселей по горизонтали), чтобы его можно было разумно протестировать с экспериментальной группой.
Улучшенная производительность групп HMD была основана не только на большей скорости движения, но также на меньшем количестве пиков скорости и более коротких перемещениях (см. Таблицу 2, Рис. 2).Хотя более низкая мотивация в группах Screen может объяснить более медленные движения, кажется трудным объяснить, как более низкая мотивация может привести к более длительным и менее эффективным движениям. Таким образом, мы были убеждены, что предвзятость мотивации могла быть фактором, способствующим, но не единственной причиной наблюдаемых различий между группами.
Мы пришли к выводу, что использование наголовных дисплеев упрощает получение 3D-изображений независимо от уровня детализации визуализации. Использование HMD с абстрактными визуализациями (рис. 2, посередине) привело к лучшей производительности, чем подробные визуализации сигналов глубины (рис. 2, справа), отображаемые на 2D-экране.
Отсутствуют групповые различия между
HMD Minimal и HMD Full .Мы не наблюдали каких-либо значительных различий между группой HMD Minimal и HMD Full (рис. 3). По сравнению со всеми другими группами, обе группы HMD показали исключительно хорошие характеристики. Потенциально сложность нашей задачи достижения трехмерного объекта показала эффект пола: если бы оба условия с HMD предоставляли достаточно надежную информацию о глубине и были достаточно реалистичными, сложность выполнения трехмерных перемещений достижения в виртуальном пространстве достигла бы нижнего предела, т.е.е. было так же просто, как выполнение реальных движений. Если оба условия достигли этого нижнего предела сложности, дополнительные визуализированные сигналы глубины не потребовались бы.
Субъекты из группы HMD Minimal , по-видимому, показали результаты немного лучше, чем субъекты из группы HMD Full (рис. 3). Это могло быть признаком того, что дополнительные визуализированные реплики глубины не только не нужны, но и отвлекают. Однако этот эффект находится в пределах уровня шума и далек от статистической значимости с учетом размеров исследуемых групп.
Мы пришли к выводу, что стереопсис, параллакс движения и относительно привязанный размер желтой целевой сферы обеспечили достаточную информацию о глубине при использовании HMD, так что дополнительные виртуально воссозданные визуальные подсказки глубины не имели дальнейшего положительного эффекта.
Признаки ограниченной глубины влияют на количество пиков скорости и соотношение хода руки
И количество пиков скорости, и соотношение хода руки показали одинаковые тенденции (рис. 4): испытуемые, использующие HMD, достигли результатов в направлении одного пика скорости и отношения хода руки около единицы, что для обоих показателей будет отражать ожидаемый теоретический оптимум. .Испытуемые из группы Screen State и Screen Minimal показали значительно больше пиков скорости и более высокие отношения движения руки. Субъекты из группы Screen Full находились где-то посередине, но различия между группами HMD и другими группами экрана не были значительными (Таблица 2).
Достигнутые оптимальные минимумы обеих групп HMD в этих показателях качества движений могут указывать на то, что технология HMD является хорошей и достаточно захватывающей, чтобы обеспечить реалистичные движения, основанные на естественном, подсознательном управлении моторикой.Похоже, что настройки HMD позволяют более точно измерить способности или нарушения в управлении двигателем, чем стандартные настройки 2D-экрана. Однако наше исследование проводилось на здоровых, относительно молодых людях. Если наши результаты могут быть применены к пожилым людям или пациентам с сенсорным дефицитом, необходимо проверить их на индивидуальной целевой популяции.
Состояние экрана и Минимальный экран не достиг оптимального минимума в этих показателях качества движения. Эти настройки отображения имеют ограничения, которые вызывают артефакты в выполняемых движениях.Следовательно, качество показателей движения, полученных с помощью инструментальных установок, использующих аналогичные дисплеи, следует интерпретировать с осторожностью. Оптимальные характеристики, которые можно ожидать при данной настройке, вероятно, не соответствуют ожидаемым характеристикам от теоретических пределов. В нашем исследовании теоретически ожидаемые результаты не могли быть достигнуты даже здоровыми молодыми людьми. Наши результаты подчеркнули важность нормативных данных для конкретной установки для интерпретации оценок, нацеленных на функцию или инвалидность.
Поскольку настройки 2D-экрана уже ограничивали возможность выполнения естественных движений, перенос от тренировки естественных движений с такими настройками к реальности также может быть ограничен. Для инструментальных реабилитационных устройств, которые полагаются на визуальную информацию о настройках 2D-экрана (например, в [9, 19]), мы бы предложили сосредоточиться на мотивирующих, часто повторяющихся и интенсивных тренировках, но в меньшей степени на попытках напрямую имитировать действия повседневная жизнь. Также реабилитационные роботы (например.грамм. ARMin [20]) может обеспечивать естественные движения с помощью тактильного взаимодействия, например ограничивая движение пациента или поддерживая силы. Вопрос о том, может ли тактильная обратная связь от такой поддержки или принуждения частично компенсировать ограничения 2D-экранов, остается без ответа. Тем не менее, если имитация повседневной жизни с помощью роботов все еще может быть лучше, чем абстрактная тренировка движений для серьезно пострадавших пациентов, необходимо будет подтвердить экспериментально. Мы не можем предложить предложения по этой теме на основе нашего исследования.
Группа , полноэкранный режим существенно не отличалась от любой другой группы. Это может быть проблема чувствительности, которую можно решить с большим количеством испытуемых. Мы ожидаем, что эти результаты будут более чувствительными, если субъекты будут проинструктированы и вознаграждены за максимально плавное и прямое движение вместо данной инструкции двигаться как можно быстрее. Однако для такой альтернативной схемы эксперимента контроль за равной точностью скорости между объектами становится более сложной задачей, и интерпретация показателей качества движений может стать менее простой.
Линейный анализ смешанной модели поддерживает экспериментальный план
Несмотря на то, что ожидаемое улучшение произошло по сравнению с целевыми показателями, оно не повлияло на наши результаты и первичную оценку. Улучшение по сравнению с целевыми числами казалось относительно небольшим, и никакого значительного взаимодействия между тестовой группой и это улучшение не привело (рис. 5, таблица 3).
Мы могли бы показать, что наше время до цели пропорционально индексу сложности Фиттса, и что даже несмотря на то, что мы применяли только одну постоянную ширину цели, индекс сложности Фиттса был лучшим предсказателем, чем расстояние.Чтобы получить разумные остатки для нашей линейной смешанной модели, нам нужно было логарифмически преобразовать время нашего результата до целевого. Классическое уравнение закона Фиттса, которое мы ожидали, не имеет этого логарифмического преобразования времени. Однако мы не считали такое отличие от классического закона Фиттса проблемой, потому что наша задача включала дополнительные 2 секунды пребывания внутри трехмерной цели, а размер нашей цели был постоянным.
Значительный групповой эффект и взаимодействие между группой и индексом трудности Фиттса, кажется, подтверждают нашу первичную оценку времени достижения цели на эталонное расстояние.Несущественные главные эффекты группы в таблице 3 не следует неверно интерпретировать как отсутствующие групповые различия. Во-первых, группы сравнивались только с протестированным эталонным уровнем Состояние экрана , например. различия между Screen Full и HMD Full не могут быть прочитаны. Во-вторых, из-за значительного взаимодействия между групповым индексом трудности Фиттса у нас есть два независимых параметра между группами, что делает интерпретацию нетривиальной.
Ограничения и перспективы
Наша основная цель состояла в том, чтобы исследовать потенциал более качественной визуализации сигналов глубины или новых HMD для улучшения реабилитации с помощью инструментов 3D.Поскольку наш эксперимент проводился с молодыми здоровыми взрослыми, передача наших результатов пожилой целевой группе или субъектам с сенсорным дефицитом может быть ограничена. Мы не знаем, будут ли пожилые люди, которые менее привыкли к экранам компьютеров, демонстрировать такое же поведение при различных сценариях рендеринга и как они будут реагировать на дисплеи, закрепленные на голове.
Использование HMD для терапии по-прежнему сталкивается с проблемами: текущие HMD — это потребительские товары, которые не были предназначены или сертифицированы для медицинского использования, а возможности очистки и дезинфекции ограничены.Вес нынешних высокопроизводительных головных уборов может вызвать серьезные проблемы с приемом их ношения в течение длительного времени, особенно для пожилых людей или людей с ограниченными возможностями. Полная изоляция от реального мира может привести к проблемам принятия как со стороны пациентов, так и со стороны терапевтов. Кроме того, изоляция от реального мира в сочетании с относительно громоздкими размерами как реабилитационных роботов, так и нынешних HMD может увеличить риск того, что пациенты могут ударить себя во время терапии.
Однако с дальнейшим уменьшением размера и веса оборудования, разработкой прозрачных налобных дисплеев и систем дополненной реальности такие ограничения можно было бы преодолеть.Кроме того, экранные решения, включающие отслеживание движения головы и стереопсис, могут обеспечить такое же погружение и восприятие глубины, что и HMD, без их текущих недостатков. Однако мы считаем, что уже существующая технология HMD может улучшить реабилитацию пациентов со средним и легким поражением в той же степени, что и реабилитационные роботы для пациентов с тяжелым поражением.
Использование HTC Vive в качестве инструмента для исследования было подвергнуто сомнению в недавней работе по оценке точности отслеживания и точности для установок в масштабе комнаты для рабочего пространства 8 м × 4 м [21].В нашем эксперименте HTC Vive был установлен только в сидячем положении, занимая рабочее пространство размером примерно 1,2 м × 0,8 м, которое было полностью покрыто обеими базовыми станциями Lighthouse. Для такого условия нам не известна подобная обширная оценка точности и точности. Поскольку мы использовали одну и ту же схему измерения во всех группах, мы убеждены, что неточности измерения присутствовали и были сопоставимы у всех субъектов и не повлияли на наши сравнения между группами.
Заключение
Дисплеи на голове обеспечивают погружение и восприятие глубины на уровне, который оказался достаточно реалистичным для здоровых молодых людей, чтобы они могли выполнять естественные движения.Напротив, двухмерные (2D) настройки экрана снижали производительность и изменяли траектории движения рук. Практически воссозданные визуальные подсказки глубины оказали незначительное влияние. Мы пришли к выводу, что как для головного дисплея, так и для настройки 2D-экрана следует отдавать предпочтение мотивационным аспектам, а не признакам глубины, когда при разработке виртуальных сред для обучения необходимы компромиссы.
Оценки производительности или ухудшения для функции достижения 3D, полученные с настройками экрана 2D, следует интерпретировать с осторожностью. Артефакты движения из-за ограниченного восприятия глубины или погружения не позволяют даже здоровым молодым людям достичь ожидаемых теоретических пределов.Мы убеждены, что дисплеи на голове обладают огромным потенциалом для улучшения тренировки и оценки движений верхних конечностей. Однако терапевтическое использование налобных дисплеев все еще казалось ограниченным из-за размера, веса и изолированности от реального мира.
Вспомогательная информация
S1 Рис. Сравнение групп среднего соотношения траектории руки субъекта.
Прямоугольники в групповом цвете обозначают медиану и 50 интервалов охвата. Усы обозначили стандартное отклонение ± 2,7 или 99.3% интервалы покрытия. Маленькие символы плюса обозначают выбросы. Горизонтальные черные полосы над прямоугольниками обозначают значительные групповые различия в апостериорном тесте Тьюки-Крамера; Состояние, отмеченное звездочкой, значительно отличалось от условий, обозначенных небольшими вертикальными полосами.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275.s001
(EPS)
S1 Видео. Демонстрационный видеоролик протокола задания.
На видео показан первый автор, выполняющий задачу со всеми 33 целями в состоянии HMD Full .Настройки измерения и отображение экрана видны сзади. Видео подвергается постобработке с переменной и увеличенной скоростью воспроизведения (от x1 до x32), чтобы сократить время воспроизведения до 1 мин и 17 с. Фактор воспроизведения указан в верхнем левом углу, а целевой номер — в верхнем среднем углу. Фальстарт выполняется в 00:54 с для цели номер 18.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275.s002
(MP4)
S1 Набор данных. Контейнер данных результата.
Дополнительный контейнер S1 Dataset (.zip-файл) содержит две таблицы Matlab ® (сохраненные как файлы .mat). «AverageResultsTableFile.mat» содержит данные о результатах субъектных средств, необходимые для межгрупповых анализов (Рис. 3, Рис. 4, Таблица 2 и S1 Рис.). «ResultsTableFile.mat» содержит данные результатов для каждого отдельного движения, необходимого для анализа линейной смешанной модели (рис. 5 и таблица 3).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189275.s005
(ZIP)
Благодарности
Особая благодарность Dr.Линде Сьюард за ее усилия и большую помощь в пересмотре нашего английского. Мы хотим поблагодарить Андрину Клай за ее помощь в проведении измерений и всех добровольцев за участие.
Эта работа была поддержана грантом SNF-Grant «Ускорение сложного моторного обучения с помощью проектирования обратной связи и автоматического выбора в зависимости от уровня навыков», CR23I2_152817 и CRRP «Neuro-Rehab» Университета Цюриха.
Ссылки
- 1. Биркенмайер Р.Л., Прагер Е.М., Ланг CE.Перевод доз на животных от конкретных задач обучения людям с хроническим инсультом в течение 1-часовых сеансов терапии: исследование, подтверждающее правильность концепции. Нейрореабилитация и нейроремонт. 2010 ;. pmid: 20424192
- 2. Keller U, Schölch S, Albisser U, Rudhe C, Curt A., Riener R, et al. Роботизированная оценка руки у пациентов с травмой спинного мозга: рассмотрение концепции исследования. ПлоС один. 2015; 10 (5): e0126948. pmid: 25996374
- 3. Mehrholz J, Hädrich A, Platz T, Kugler J, Pohl M.Электромеханическая тренировка рук и тренировка рук с помощью роботов для улучшения повседневной активности, функции руки и силы мышц руки после инсульта. Кокрановская база данных систематических обзоров (онлайн). 2012; 6.
- 4. Sigrist R, Rauter G, Riener R, Wolf P. Расширенная визуальная, слуховая, тактильная и мультимодальная обратная связь в моторном обучении: обзор. Психономический бюллетень и обзор. 2013; 20: 21–53. http://dx.doi.org/10.3758/s13423-012-0333-8.
- 5. Reinkensmeyer DJ, Housman SJ.«Если я не могу сделать это один раз, зачем делать это сто раз?»: Соединение воли с успехом движения в виртуальной среде побуждает людей тренировать руку после удара. В: Виртуальная реабилитация, 2007. IEEE; 2007. с. 44–48.
- 6. Riener R, Wellner M, Nef T., Von Zitzewitz J, Duschau-Wicke A, Colombo G и др. Взгляд на реабилитационную робототехнику с использованием VR. В: Виртуальная реабилитация, 2006 Международный семинар по. IEEE; 2006. с. 149–154.
- 7. Ламберси О., Люненбургер Л., Гассерт Р., Боллигер М.Роботы для измерения / клинической оценки. В кн .: Технология нейрореабилитации. Springer London; 2012. с. 443–456.
- 8. Кламрот-Марганска В., Бланко Дж., Кампен К., Курт А., Дитц В., Эттлин Т. и др. Трехмерная робототерапия руки после инсульта, ориентированная на конкретную задачу: многоцентровое рандомизированное исследование в параллельных группах. Ланцетная неврология. 2014. 13 (2): 159–166. pmid: 24382580
- 9. Виттманн Ф., Хельд Дж. П., Ламберси О., Старки М.Л., Курт А., Хёвер Р. и др. Самостоятельная терапия рук в домашних условиях после инсульта с помощью сенсорной системы обучения виртуальной реальности.Журнал нейроинжиниринга и реабилитации. 2016; 13 (1): 75. pmid: 27515583
- 10. Райнер Р., Хардерс М. Виртуальная реальность в медицине. Springer; 2012.
- 11. Реннер RS, Величковский BM, Helmert JR. Восприятие эгоцентрических расстояний в виртуальных средах — обзор. ACM Computing Surveys (CSUR). 2013; 46 (2): 23.
- 12. Арсено Р., Уэр С. Важность стереозвука и перспективы с привязкой к глазам для координации глаз и рук в виртуальной реальности аквариумов.Присутствие: телеоператоры и виртуальные среды. 2004. 13 (5): 549–559.
- 13. Valve Corporation. SteamVR-Tracking; 2016. Последний доступ 13 апреля 2017 г. Доступно по адресу: https://partner.steamgames.com/vrtracking/.
- 14. Unity Technologies. OpenVR; 2017. Публикация 5.6-001G 2017-03-29, последний доступ 13 апреля 2017 г. Доступно по адресу: https://docs.unity3d.com/Manual/VRDevices-OpenVR.html.
- 15. Oldfield RC. Оценка и анализ руки: Эдинбургская инвентаризация.Нейропсихология. 1971 ;. pmid: 5146491
- 16. Fagard J, Chapelain A, Bonnet P. Как следует оценивать амбидекстры? Латеральность: асимметрия тела, мозга и познания. 2015; 20 (5): 543–570.
- 17. Циммерли Л., Кревер С., Гассерт Р., Мюллер Ф., Ринер Р., Люненбургер Л. Валидация механизма балансировки трудностей при выполнении упражнений в роботизированной реабилитации верхних конечностей после инсульта. Журнал нейроинженерии и реабилитации. 2012; 9 (1): 6. pmid: 22304989
- 18.Ijsselsteijn W, de Kort Y, Westerink J, de Jager M, Bonants R. Fun and Sports: Enhanceing Home Fitness Experience. Группа взаимодействия между людьми и технологиями, Департамент управления технологиями; 2004.
- 19. Виттманн Ф., Ламберси О., Гонценбах Р.Р., ван Раай М.А., Ховер Р., Хелд Дж. И др. Ориентированная на оценку терапия рук в домашних условиях с использованием системы виртуальной реальности на основе IMU. В: Реабилитационная робототехника (ICORR), Международная конференция IEEE 2015 г. IEEE; 2015. с. 707–712.
- 20.Nef T, Guidali M, Riener R. ARMin III — терапевтический экзоскелет руки с эргономичным срабатыванием плеча. Прикладная бионика и биомеханика. 2009. 6 (2): 127–142.
- 21. Нихорстер Д.К., Ли Л., Лаппе М. Точность и точность отслеживания положения и ориентации в системе виртуальной реальности HTC Vive для научных исследований. i-Восприятие. 2017; 8 (3): 2041669517708205. pmid: 28567271
Систематический обзор иммерсивных приложений виртуальной реальности для высшего образования: элементы дизайна, извлеченные уроки и программа исследований
https: // doi.org / 10.1016 / j.compedu.2019.103778Получить права и контентАннотация
Исследователи изучили преимущества и приложения виртуальной реальности (VR) в различных сценариях. Виртуальная реальность обладает большим потенциалом, и в последнее время ее применение в образовании вызывает большой исследовательский интерес. Однако в настоящее время существует мало систематической работы о том, как исследователи применяют иммерсивную виртуальную реальность для целей высшего образования, которая рассматривает использование как высококачественных, так и бюджетных дисплеев, устанавливаемых на голову (HMD). Следовательно, мы предлагаем использовать систематическое картографирование для выявления элементов дизайна существующих исследований, посвященных применению виртуальной реальности в высшем образовании.Рецензируемые статьи были получены путем извлечения ключевой информации из документов, проиндексированных в четырех научных электронных библиотеках, которые систематически фильтровались с использованием методов исключения, включения, полуавтоматического и ручного методов. В нашем обзоре подчеркиваются три ключевых момента: текущая структура предметной области с точки зрения содержания обучения, элементы дизайна виртуальной реальности и теории обучения как основа для успешного обучения на основе виртуальной реальности. Сопоставление проводилось между доменами приложений и учебным содержанием, а также между элементами дизайна и учебным содержанием.Наш анализ выявил несколько пробелов в применении VR в сфере высшего образования — например, теории обучения не часто учитывались при разработке приложений VR, чтобы помочь и направить к результатам обучения. Кроме того, оценка образовательных приложений VR была в первую очередь сосредоточена на удобстве использования приложений VR, а не на результатах обучения, а иммерсивная виртуальная реальность в основном была частью экспериментальной и опытно-конструкторской работы, а не применялась регулярно в реальном обучении.Тем не менее, виртуальная реальность кажется многообещающей сферой, поскольку в этом исследовании определены 18 прикладных областей, что свидетельствует о лучшем восприятии этой технологии во многих дисциплинах. Выявленные пробелы указывают на неизведанные области дизайна виртуальной реальности для образования, которые могут мотивировать будущую работу в этой области.
Ключевые слова
Дополненная и виртуальная реальность
Совместное / совместное обучение
Дистанционное обучение и онлайн-обучение
Человеко-компьютерный интерфейс
Медиа в образовании
Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)
© 2019 Авторы.Опубликовано Elsevier Ltd.
Рекомендуемые статьи
Цитирующие статьи
Стабильная стыковка нейтрализующего вируса иммунодефицита человека gp41 типа 1 моноклональных антител 2F5 и 4E10 к мембранной проксимальной внешней области зависит от глубины мембранной иммерсии их эпитопных областей
Было установлено предположили, что способность MAb 2F5 и 4E10 взаимодействовать с мембранными липидами необходима для связывания с мембраносвязанным участком MPER gp41 и последующей нейтрализации ВИЧ-1 (2, 14, 15).Связывание как 2F5, так и 4E10 MAb с их эпитопными пептидами, представленными на синтетических липосомах, заметно отличалось от связывания одних эпитопных пептидов и лучше всего описывалось двухэтапной моделью «встречи-стыковки» (2). В этой модели нейтрализация MPER MAb делает начальное столкновение сложным, и такое взаимодействие связано с более высокими скоростями ассоциации и диссоциации. Формирование встречного комплекса вызывает образование окончательного «пристыкованного» комплекса, который связан с более медленными скоростями диссоциации и обеспечивает стабильность общего взаимодействия.В более позднем исследовании также наблюдали такой же способ взаимодействия для MAb 4E10, когда оно связывается с пептидом MPER в липосомальной форме (31). Исследования Sun et al. выявили, что критические остатки эпитопа 4E10 могут быть скрыты в вирусной мембране и что взаимодействие 4E10 с липидами важно для извлечения погруженных остатков из липидного бислоя. Хотя связывание 2F5 не было описано в исследовании, модель показывает, что N-концевая спираль L-образной структуры MPER выступает от мембраны и что остатки K 665 и W 666 основного эпитопа 2F5 (остатки DKW) располагаются на поверхности и в межфазной области, соответственно, мембранного липида (31).Таким образом, что касается MAb 4E10, стабильная стыковка 2F5 также потребует некоторого уровня конформационной перестройки MPER для высвобождения критических остатков в коровом эпитопе. Это согласуется с данными кинетики связывания, которые показали, что окончательная стыковка MAb 2F5 и 4E10 с пептидно-липидными конъюгатами MPER может потребовать конформационных перестроек (2). Также вероятно, что CD4 и корецептор-опосредованный запуск Env ВИЧ-1 (10, 28), который приводит к образованию промежуточной конформации слияния, также может открывать критические остатки для связывания MPER MAb.Как 4E10, так и 2F5 MAb прочно связывались с рекомбинантным тримерным промежуточным соединением gp41 и либо слабо связывались, либо не связывались, соответственно, с тримерным gp140 (11) и предполагаемым тримерным MPER в состоянии до слияния (22). Однако ориентация последовательности MPER в форме, связанной с вирусными липидами, неизвестна, и, таким образом, возможно, что на ранних стадиях триггерного промежуточного состояния остатки MPER могут лежать в плоскости головных групп мембраны. а взаимодействие MPER MAb с липидами и извлечение критических остатков может быть важным для стабильного докинга (31).Наше исследование взаимодействий антител с их заякоренными в мембране эпитопными пептидами показывает, что как 2F5, так и 4E10 MAb связываются со своими номинальными конъюгатами эпитопный пептид-липосома с высокой аффинностью. Результаты экспериментов по тушению флуоресценции триптофана и резонансному переносу энергии флуоресценции (FRET) показали, что номинальный пептид 2F5 экспонируется на поверхности мембраны рядом с полярной головной группой, тогда как номинальный пептид 4E10 погружается в межфазную область липидный бислой.Спектроскопические исследования кругового дихроизма (КД) показали, что номинальный эпитоп и пептиды биэпитопа принимают упорядоченные структуры при закреплении на липосомальной мембране. Данные об ориентации мембран и вторичные структурные особенности пептидов MPER хорошо коррелировали с характеристиками связывания антител, что позволяет предположить, что заякоренные в мембране конформации пептидов MPER являются физиологическим компонентом нативных связывающих эпитопов 2F5 и 4E10 в вирионах ВИЧ-1.
ОБСУЖДЕНИЕ
В этом исследовании, используя синтетические конъюгаты пептид-липосомы, мы показали, что (i) заякоривание мембраны важно для представления структуры эпитопов MPER 2F5 и 4E10; (ii) N- и C-концы MPER gp41 по-разному экспонируются на мембране; и (iii) стабильная стыковка MAb 2F5 и 4E10 с пептид-липосомами зависит от степени погружения в мембрану связывающих эпитопов.Результаты нашего исследования, представленные на рис. 10, могут быть использованы для построения модели, которая иллюстрирует представление остатков MPER gp41 на липосомной поверхности и их взаимодействия с MAb 2F5 и 4E10. Мы наблюдали, что докинг MAb 2F5 к его номинальному конъюгату эпитоп-липосома был более эффективным, чем стыковка MAb 4E10, и что эту разницу в связывании MAb можно объяснить различиями в уровне погружения эпитопов MPER в липидный бислой. Таким образом, эффективность докинга MAb хорошо коррелировала с более экспонированной природой номинального эпитопного пептида 2F5 на поверхности мембраны по сравнению с менее экспонированной ориентацией номинального эпитопного пептида 4E10, который имел один или несколько триптофанов, погруженных в область ацильной цепи двухслойный.В наших конструкциях биэпитопный пептид-липосома мы наблюдали более эффективную стыковку как 2F5, так и 4E10, и, таким образом, эта конструкция конструкции могла быть потенциальным иммуногеном для индукции нейтрализующих антител MPER. Механизм, который приводит к усилению аффинности на границе раздела мембран. может быть связано с прямым взаимодействием MAb 2F5 и 4E10 с липидами мембран через их петли CDR3 (6, 25), тем самым повышая стабильность комплекса MAb-эпитоп. Также было высказано предположение, что липидсвязывающие свойства MAb 2F5 и 4E10 (14, 27) способствуют их сближению с мембраносвязанными эпитопами MPER и, таким образом, приводят к стабильному взаимодействию MAb-эпитоп, так как связывание 2F5 и 4E10 лучше всего объясняется двухэтапной моделью встречи-стыковки (2).Требование связывания липидов при нейтрализации ВИЧ-1 подтверждается результатами наших недавних исследований, которые показали потерю нейтрализации ВИЧ-1 мутантами CDR h4 2F5 и 4E10, которые были сконструированы так, чтобы иметь нарушенную способность связывания липидов без изменения связывания эпитопа ( 1; С.М. Алам, представленный на конференции «Вакцины против ВИЧ: прогресс и перспективы», Банф, Альберта, Канада, 27 марта — 1 апреля 2008 г.). Хотя эти отчеты продемонстрировали роль липидной реактивности в связывании с встроенными в мембраны эпитопами MPER и в нейтрализации ВИЧ-1, ориентация эпитопов и ее влияние на связывание антител еще предстоит описать.Характеристики связывания как 2F5, так и 4E10 с конъюгированными с карбоксильным концом номинальными эпитопными пептидами-липосомами MPER, используемыми в этом исследовании, которые являются более физиологичными, чем конструкции, конъюгированные с амино-концом, использованные ранее (2), были весьма схожими. Как наблюдалось с липосомами пептид-липосом, конъюгированных с N-концом, связывание MAb 2F5 и 4E10 было двухфазным и лучше всего описывалось двухэтапной моделью столкновения-стыковки, где MAb 2F5 образуют более благоприятный комплекс, чем 4E10 (рис. Таблица 1) (2).Однако разительные различия были очевидны в стабильности связывания MAb (таблица 1 и фиг. 3A и B) (2). Отмеченная стабильность связывания, отмеченная для MAb 2F5 в используемых здесь конструкциях, может быть связана с более естественным C-концевым закреплением пептидов, в отличие от стратегии N-концевого закрепления, используемой ранее (2). Вероятно, что относительно более низкая стабильность связывания 2F5, наблюдаемая в предыдущем исследовании (2), была связана с ограничениями, налагаемыми мембраной на область эпитопа 2F5 при закреплении пептидов на N-конце.Конъюгат биэпитопный пептид-липосома является более физиологическим имитатором, поскольку он состоит из всей области MPER, прикрепленной к липосомам, и предлагает преимущество использования одной и той же конструкции для исследования связывания как 2F5, так и 4E10 (сплошные линии на фиг. 2A и C). Наши результаты ясно показывают, что конструкция биэпитопный пептид-липосома обеспечивает более благоприятную ориентацию эпитопа MPER для стыковки как 2F5, так и 4E10 (рис. 2). Мы использовали искусственный пептидный мембранный якорь в нашей конструкции комплексов пептид-липосома, и, следовательно, такие липосомные конструкции могут отличаться по мембранной ориентации MPER в контексте тримера оболочки.Однако недавние исследования с использованием таких искусственных систем предоставили данные для создания моделей ориентации мембраны gp41 MPER (31). Обращает на себя внимание четкая корреляция, которая существует между эффективной стыковкой антител и характером ориентации эпитопных пептидов в липосомальной мембране. Докинг антител был более эффективным, когда эпитопный пептид подвергался воздействию растворителя (стабильная стыковка 2F5 с его номинальным эпитопным пептидом), но был менее эффективным, если эпитопный пептид был погружен в мембрану (менее эффективная стыковка связывания 4E10 с его номинальным эпитопом).Эффективность стыковки с биэпитопным пептидом 2F5 и 4E10 оставалась между двумя вышеуказанными крайностями, что позволяет предположить, что пептид принимает в некоторой степени промежуточную ориентацию с, вероятно, небольшими вариациями глубины погружения ключевых остатков, участвующих в связывании MAb. Эти данные также предполагают, что длина пептидной последовательности играет роль в определении глубины погружения ключевых остатков в мембрану. Недавнее исследование (17), в котором рассчитывалась энергетика взаимодействия различных сегментов MPER с границей раздела мембран, показало, что свободная энергия для разделения воды на границы раздела мембран была самой высокой для участка MPER D 664 -K 683 и это расширение последовательности на N-конце этого отрезка постепенно уменьшало свободную энергию.Основываясь на этих энергетических данных, можно было бы предсказать, что участок MPER S 668 -K 683 , который мы использовали в нашем номинальном эпитопном пептиде 4E10, будет легче погружаться в мембрану, чем более длинный биэпитопный пептид, содержащий 12 дополнительных аминокислотных остатков. кислотные остатки N-конца к нему (N 656 -K 683 ), тогда как номинальный эпитопный пептид 2F5 (Q 652 -N 671 ), который содержит остатки N-конца MPER, будет наименее погружен в мембрану.Таким образом, наши данные по иммерсии мембран и энергетика связывания 2F5 и 4E10 согласуются с этим предсказанием. Помимо различий в природе их мембранных ориентаций, любое изменение структуры, принятой пептидами эпитопа, может влиять на способ их взаимодействия с пептидами. MAbs 2F5 и 4E10 по-разному. Таким образом, ключевой вопрос, который необходимо было решить, заключался в том, принимают ли пептиды MPER уникальную структуру в мембранном окружении, которая способствует стыковке 2F5 и 4E10.Несмотря на то, что описаны структуры с высоким разрешением пептидов MPER различной длины в мицеллах или бицеллах (8, 31), структура с высоким разрешением мембраносвязанного пептида MPER недоступна, за исключением структуры, основанной на измерении электронного парамагнитного резонанса. параметры глубины погружения мембраны аминокислотных остатков MPER (31). Спектроскопические эксперименты по КД показали, что номинальные эпитопные и биэпитопные пептиды принимают упорядоченные структуры с различным содержанием спиралей (таблица 4).Номинальный эпитопный пептид 4E10 имел наивысшее спиральное содержание, тогда как номинальный эпитопный пептид 2F5 имел более низкое спиральное содержание, при этом биэпитопный пептид имел промежуточное спиральное содержание между этими двумя пептидами. Эти структурные данные с низким разрешением дают некоторое представление об общих вторичных структурных элементах, присутствующих в закрепленном на мембране состоянии, но не дают столь необходимой информации о конформации эпитопов. Тем не менее, нам удалось решить эту очень важную проблему для области эпитопа 4E10, исследуя важность закрепления пептидов MPER на мембране.Сравнение характеристик связывания антител и вторичных структур закрепленных на мембране и связанных с мембраной биэпитопных пептидов MPER ясно показало, что закрепление на мембране индуцирует спиральные структуры пептидов MPER, что приводит к усиленному связыванию MAb 4E10. Наше открытие согласуется с кристаллической структурой, показывающей, что пептид-эпитоп, связанный с 4E10, принимает спиральную структуру (6). Вместе эти наблюдения показывают, что, возможно, трансмембранный домен необходим для области эпитопа 4E10 MPER, чтобы принять правильную спиральную структуру.С другой стороны, связывание 2F5, по-видимому, не отдает предпочтения более упорядоченной структуре пептида MPER биэпитопа, поскольку увеличение концентрации пептида может уменьшить разницу в уровнях связывания 2F5 между заякоренными в мембране и связанными с мембраной пептидами MPER биэпитопа. Таким образом, возможно, что область эпитопа 2F5 представленного на мембране биэпитопного пептида MPER не имеет упорядоченной структуры. Эта интерпретация согласуется с недавними исследованиями ядерно-магнитного резонанса мицелл при pH 6.0, который показал, что N-концевая часть MPER не имеет регулярной вторичной структуры сама по себе (8) или в своем связанном с 2F5 состоянии (25). Вероятно, что N-конец MPER gp41 взаимодействует с каким-либо другим компонентом белка Env ВИЧ-1 (19). Такие взаимодействия могут сделать эпитоп 2F5 недоступным для MPER-специфических антител к gp41. Важным следствием наших результатов является то, что только редкие MPER-антитела, которые могут связываться как с липидами, так и с эпитопами MPER, смогут связываться с нативным gp41 на поверхности вирусной мембраны.Есть несколько доказательств, подтверждающих эту гипотезу. Наши данные кинетики связывания предполагают, что хотя некоторые антитела к gp41 могут быть способны образовывать комплекс встречи с gp41 MPER, их неспособность взаимодействовать с включенными в мембрану остатками делает их непригодными для образования стабильного стыкованного комплекса. Это особенно верно для эпитопа 4E10, который остается в значительной степени погруженным в межфазную область мембраны (31). Описанные выше результаты также показывают, что стыковка MAb была усилена в конструкции биэпитопный пептид-липосома, в которой глубина погружения связывающего эпитопа в мембрану была относительно более благоприятной для связывания антитела.Нейтрализующие антитела, такие как 13h21, которые не связываются с липидами, не могут связывать пептидно-липидные конъюгаты (2). Другие ненейтрализующие MAb, такие как MAb 126-6 и 167-D кластера II, были способны образовывать только комплекс встречи, и возникающие в результате слабые взаимодействия с пептид-липидными конъюгатами (Alam et al., Неопубликованные данные) могли объяснить их неспособность нейтрализовать ВИЧ-1. Эпитоп 2F5, хотя и подвергается большему воздействию растворителя, чем C-концевой участок MPER, все же может иметь критический остаток, погруженный в липидный бислой.Возможным кандидатом может быть остаток W 666 в ядре эпитопа 664 DKW 666 (31). Более того, случайность N-концевой области предполагает, что в состоянии gp41 перед слиянием эта часть MPER может взаимодействовать с каким-либо другим компонентом Env ВИЧ-1 (19) или быть окклюзией в тримере gp41 (11, 22) и могут быть недоступны для связывания MAb (22). Таким образом, как эпитоп 2F5, так и эпитоп 4E10 MPER gp41 могут не экспонироваться в состоянии до слияния gp41 (11, 22).Это согласуется с нашим недавним открытием, что MPER MAb, включая 2F5 и 4E10, не связываются с нативным префузионным gp41 на нативных вирионных мембранах (SM Alam, M. Morelli, SM Dennison, H. Liao, R. Zhang, S. Xia, S. Rits-Volloch, L. Sun, S. Harrison, BF Haynes и B. Chen, неопубликованные данные) и разработанный тример Liu et al. (22). Поскольку и 2F5, и 4E10 прочно связываются с более медленными скоростями диссоциации с тримерным промежуточным белком gp41 (11), вероятно, что MPER-нейтрализующие эпитопы экспонируются только в промежуточном состоянии слияния после срабатывания корецептора Env ВИЧ-1.Следовательно, возможно, что включенные в мембрану остатки могут быть экспонированы в промежуточной структуре gp41; это согласуется с нашими данными кинетики связывания, показывающими более благоприятную стыковку 4E10 с конструкцией биэпитопа, в которой C-концевой участок был относительно менее погружен в бислой мембраны. Поскольку мы наблюдали сильное связывание как 2F5, так и 4E10 с конъюгатами пептид-липосома MPER, мы можем сделать вывод, что липосомальная форма наших пептидных конструкций MPER не является репрезентативной для состояния gp41 перед слиянием, но, вероятно, является представителем продвинутого промежуточного продукта или постфузии. состояние gp41.Наши результаты очень важны в контексте разработки вакцины против ВИЧ-1. На сегодняшний день попытки вызвать широко нейтрализующие MPER-антитела не увенчались успехом. Считается, что нейтрализующие MPER-антитела не образуются либо из-за сложности представления правильной конформации MPER иммунной системе, либо из-за механизма толерантности, вовлекающего иммунную систему (13, 24). Описанное здесь исследование является важным шагом вперед в разработке иммуногенов, которые включают компоненты как мембраны, так и эпитопа, с целью представления структуры MPER, близкой к нативной.Мы продемонстрировали, что заякоренные в мембране пептиды MPER принимают структуры и / или ориентации, которые способствуют эффективному стыковке антител MPER. Таким образом, описанные здесь конъюгаты пептид-липосома MPER потенциально могут быть использованы в качестве иммуногенов для индукции нейтрализующих ВИЧ-1 антител MPER либо отдельно, либо с соответствующими адъювантами, включенными в них.Использование O2 для измерения глубины погружения мембраны с помощью ЯМР 19F
Реферат
Фторированный детергент, CF 3 (CF 2 ) 5 C 2 H 4 -O-мальтоза, был преобразован в липидную двухслойную модельную мембранную систему для демонстрации возможности определения доступности растворителя и мембраны. глубину погружения каждой фторированной группы по данным ЯМР 19 F.Аполярный кислород, который, как известно, разделяется с возрастающим градиентом концентрации к внутренней части гидрофобной мембраны, проявляет ряд парамагнитных релаксационных эффектов на ядрах 19 F, в зависимости от его глубины в мембране. Этот эффект, который преимущественно связан со скоростями спин-решеточной релаксации ( R 1 ) и химическими сдвигами, может быть значительно усилен с минимальным уширением линии за счет увеличения парциального давления O 2 по крайней мере в 100 раз (i .е., P O 2 более 20 бар). Различия в скоростях продольной релаксации при давлении кислорода 20 бар и при атмосферном давлении ( R 1 20 бар — R 1 0 ) являются наибольшими для тех групп фтора, которые, как ожидается, будут находиться наиболее глубоко. в бислое мембраны. Этот результат контрастирует с обратной тенденцией, которая наблюдается при добавлении парамагнитных частиц, ассоциированных с поверхностью мембраны, 4- ( N , N -диметил- N -гексадецил) аммоний-2,2,6,6 -тетраметилпиперидин-1-оксилиодид (CAT-16) при атмосферном давлении.Таким образом, дифференциальные скорости релаксации могут наблюдаться в молекулах, меченных 19 F, связанных с мембраной, в результате добавления аполярного кислорода под высоким давлением. Результаты демонстрируют, что степень доступности растворителя и глубина погружения мембраны определенных фторированных частиц в мембранно-ассоциированные макромолекулы могут быть исследованы с помощью 19 F ЯМР.
Степень проникновения сайт-специфических меток через биологическую мембрану представляет собой важную информацию для понимания взаимодействия малых органических молекул, лекарств и белков с мембранами.Одним из способов определения относительной глубины погружения в мембрану с помощью ЯМР могло бы быть измерение парамагнитного вклада в скорости спин-решеточной релаксации конкретных ядер, возникающих из кислорода, диффузионная доступность которых, как известно, увеличивается с глубиной погружения в бислой (1). В этой статье исследуется потенциал такого подхода с использованием ядра 19 F в качестве зонда и полуперфторированного детергента, который вставляется в липидный бислой. В свете этих результатов обсуждаются перспективы применения этого метода к более крупным мембранно-связанным молекулам и белкам.
Связанные с мембраной белки, которые, как сейчас известно, составляют почти треть всех белков (2–3), представляют собой важный класс макромолекул, для которых не существует четкой методики определения трехмерной структуры с атомным разрешением. Хотя значительный прогресс был достигнут как с помощью ЯМР высокого разрешения с использованием мицелл детергента (4–5), так и с помощью дифракции электронов и рентгеновских лучей на двух- и трехмерных кристаллах (6–7), каждый метод основан на строгих условиях образца.Образцы ЯМР высокого разрешения должны состоять из небольших мицеллярных агрегатов без промежуточных движений в масштабе времени (8), тогда как методы дифракции электронов и рентгеновских лучей требуют дифракционных кристаллов мембранного белка. Твердотельный ЯМР менее ограничен в том смысле, что для достижения приемлемого разрешения требуется только одноосное выравнивание мембранного белка в магнитном поле.
Комбинация сайт-направленного спинового мечения и ESR-спектроскопии обеспечивает средства изучения мембранных белков без необходимости выравнивания или кристаллизации.В этом случае спин-меченное производное, такое как (1-оксил-2,2,5,5, -тетраметилпирролин-3-метил) метантиосульфонат, может легко реагировать с сульфгидрильной группой одного остатка цистеина в белке или его мутант. Путем сравнения спектров ЭПР и скорости затухания насыщения в присутствии водорастворимого сдвигового реагента [обычно этилендиаминдиацетат Ni (II) или ацетилацетонат Ni (II)] и аполярного (мембранорастворимого) кислорода определяют глубину погружения и доступность растворителя. специфический для остатка нитроксид может быть надежно определен (9–13).Этот подход основан на том свойстве, что кислород предпочтительно разделяется на мембраны со все более высокими концентрациями на большей глубине мембраны (1). Изучая варианты белка, в которых каждый остаток отдельно заменен конъюгатом спин-метка цистеина, можно составить карту вторичной структуры и топографии (восстановленных и полностью активных) мембранных белков по ESR. В духе этого подхода мы использовали фторированный детергент, включенный в модельную мембрану, для исследования чувствительности спектров ЯМР 19 F и времен спин-решеточной релаксации к водорастворимому парамагнитному реагенту сдвига, прикрепленному к мембране и к мембране. -растворимый парамагнитный кислород при высоких парциальных давлениях кислорода.
ЯМР фтора дает явные преимущества при изучении структуры мембранных белков (14-17). В частности, чувствительность почти такая же, как у 1 H, тогда как дисперсия химических сдвигов почти в 100 раз больше, чем у 1 H. дер-Ваальса и электростатических сред. В частности, добавление парамагнитных добавок оказывает заметное влияние на химические сдвиги 19 F и времена релаксации (17–19).В некоторых случаях изменения химического сдвига можно наблюдать из доступных для растворителя участков, меченных 19 F, просто путем замены D 2 O на H 2 O (16, 20). Мечение фтором относительно несложно, и коммерчески доступно множество остатков, меченных 19 F (17). Некоторые фторированные остатки также могут быть включены биосинтетически и почти полностью экспрессированы (21–23). Альтернативно, аналогично тому, как описано выше для сайт-направленного спинового мечения ESR, фторированные заместители, такие как трифторэтилтио (TET), могут быть легко присоединены к сульфгидрильным группам остатков цистеина в неденатурирующих условиях (24).Фторсодержащие метки, такие как TET, несомненно, меньше по размеру и, следовательно, менее опасны, чем сопоставимые спиновые метки ESR. Можно было бы ожидать, что это приведет к более однородной активности сайт-направленных мутантов мембранных белков (25). Второе потенциальное преимущество сайт-направленного мечения с помощью ЯМР 19 F состоит в том, что диапазон химического сдвига 19 F достаточно велик, чтобы избежать значительного спектрального перекрытия от биосинтетически меченных белков с более чем одной меткой на молекулу.Здесь мы сообщаем о наших первых измерениях, которые демонстрируют возможность ЯМР 19 F для определения относительной глубины погружения специфически фторированных частиц в мембранно-ассоциированные молекулы с использованием аполярного парамагнитного кислорода под давлением.
Материалы и методы
3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-Тридецилфтор β-d — октилмальтозид (TFOM) был подарком К. Сандерса (Case Western Reserve Университет, Кливленд, Огайо). Бицеллярные дисперсии [15% (мас. / Об.)], Состоящие из фосфолипида, 1,2-димиристоил- sn -глицеро-3-фосфохолина (DMPC) и детергента, 1,2-дигексаноил- sn -глицеро-3- фосфохолин (DHPC) получали в 99.9% D 2 O (Isotec). Использовали молярные отношения DMPC / DHPC (далее q ) 0,5 или 1,0. Обычно TFOM (2–5 мг) объединяли с DMPC / DHPC (приблизительно 250 мг), получая молярное соотношение DMPC / TFOM от 20 до 50. Образцы встряхивали с последующим несколькими циклами замораживания-оттаивания и центрифугирования, после чего был получен прозрачный раствор. Небольшие однослойные везикулы (SUV), состоящие из 15% (мас. / Мас.) Дисперсии DMPC и 1,2-димиристоил- sn -глицеро-3-фосфоглицерин (DMPG) в молярном соотношении 15: 1 и TFOM (2 мг) на 600 мкл раствора, были получены обработкой ультразвуком дисперсии липид / TFOM на ледяной бане в течение нескольких минут с последующим центрифугированием для удаления частиц тяжелых металлов, образующихся в результате обработки ультразвуком.Все липиды (DMPC, DHPC и DMPG) были получены от Avanti Polar Lipids. Для исследования ТФОМ в отсутствие мембраны примерно 0,6 мг ТФОМ добавляли к 600 мкл дейтерированного метанола (Isotec). Для исследования дифференциальной парамагнитной релаксации от поверхностно связанной спиновой метки ЭПР, 4- ( N , N -диметил- N -гексадецил) аммоний-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил йодид (CAT-16) (молекулярные зонды) (приблизительно 4 мг) добавляли к образцу ЯМР, который состоял из DMPC (60 мг) и DHPC (40 мг).Для исследований парамагнитной релаксации от кислорода образец сначала уравновешивали давлением 20 бар P O 2 в течение 1 недели. Эксперименты по ЯМР проводили с использованием трубки для ЯМР высокого давления с наружным диаметром 5 мм (внутренний диаметр 1,6 мм), приобретенной у Wilmad (Буэна, штат Нью-Джерси). Тефлоновый фитинг с резьбой (Wilmad) в трубке ЯМР был постоянно покрыт эпоксидной смолой к стандартному 1/8-дюймовому медному фитингу Swagelok, который был подключен через 1/8-дюймовую медную трубку к трехходовому клапану (для продувки) и стандартному кислороду. цилиндр. Аналогичная установка была сконструирована для исследования ТФОМ в бицеллах в атмосфере азота под давлением.Чтобы дополнительно предотвратить утечку между тефлоновым соединением и фитингом Swagelok, небольшое уплотнительное кольцо было установлено на феррель Swagelok, а гайка Swagelok, в свою очередь, была припаяна к медной трубке. По завершении измерений ЯМР образец под давлением дегазировали повторным замораживанием и оттаиванием и исследовали при парциальных давлениях кислорода окружающей среды.
19 F ЯМР-эксперименты были выполнены на спектрометре высокого разрешения Varian INOVA 500 МГц путем настройки протонного канала 5-мм зонда на резонансную частоту 19 F (470.327 МГц). Все эксперименты проводились при 40 ° C, где ожидается, что DMPC примет двухслойные домены в образце изотропных бицелл (26). Время спин-решеточной релаксации измерялось простой последовательностью инверсии-восстановления {π-τ-π / 2- получить } с использованием времени повторения 3,5 с. В общей сложности 64 значения τ использовались для характеристики кривых затухания инверсии-восстановления. Доказано, что каждая из кривых затухания очень хорошо согласуется с одной экспонентой, а подогнанные погрешности в T 1 обычно составляли менее 2%.Однако, повторив эти измерения на нескольких образцах, мы оцениваем неопределенность скоростей релаксации в 5%. 19 F π / 2 длительность импульса составляла 5,2 мкс. Использовались спектральная ширина 32 кГц и время сбора данных 250 мс с задержкой 100 мкс после последнего импульса, предшествующего обнаружению. Спектры обычно обрабатывали с уширением линий на 2–20 Гц и относили к внутреннему стандарту трифторуксусной кислоты (-76,55 м.д.). T 1 времен релаксации и ширины линий были измерены с помощью программного обеспечения Varian.Обычно для получения отношения сигнал / шум, показанного ниже, требовалось не более 64 сканирований. Для отнесения спектра ЯМР 19 F были проведены эксперименты с ядерным эффектом Оверхаузера (NOE) (27) и двойной квантово-фильтрованной (DQF) -коррелированной спектроскопией (COSY) (28–29). Эксперимент по разнице NOE включал выборочное насыщение каждого из шести резонансов TFOM с использованием времени смешивания от 100 мс до 500 мс. Эксперимент DQF-COSY ( 19 F, 19 F) состоял из 1024 комплексных точек в косвенном измерении и 8 192 комплексных точек в прямом измерении со спектральной шириной 23 229 Гц в каждом измерении.
Результаты и обсуждение
Структуры фторированных мембран-ассоциированных частиц, TFOM, мембраносвязанной поверхностно-связанной спиновой метки, CAT-16, и фосфолипида, DMPC, показаны на рис. 1. Второй компонент изотропной дисперсии бицелл, DHPC. , идентичен DMPC, за исключением того, что каждая цепь жирной кислоты состоит из 6, а не из 14 атомов углерода. Предполагается, что TFOM, который легко солюбилизируется в изотропной бицелле, закрепится в мембране, так что фтор в положениях с 3 по 8 будет постепенно погружаться во внутреннюю часть мембраны.В этом исследовании все измерения были выполнены с использованием молярных соотношений DMPC / DHPC, равных 0,5 или 1,0. В бицеллярных дисперсиях длинноцепочечный липид, DMPC, как известно, организован как бислой, тогда как DHPC покрывает гидрофобные края бислоя, чтобы сформировать дискообразный агрегат, называемый двухслойной мицеллой или бицеллой (30–34). Если молярное отношение DMPC к DHPC составляет примерно от 2,5 до 5, эти бицеллы выравниваются в магнитном поле. Однако, если молярное соотношение от 0,5 до 1.0, размеры бицелл, как полагают, достаточно уменьшены, так что система больше не выравнивается, а высокая скорость переворачивания бицелл приводит к спектрам ЯМР высокого разрешения (26, 35). Спектр ЯМР 19 F на фиг. 2 A был получен из TFOM в 15% изотропной двухцеллярной дисперсии, состоящей из DMPC и DHPC (DMPC / DHPC = 0,5). Спектр на рис. 2 B , который представляет идентичную концентрацию TFOM в системе SUV 15% DMPC / DMPG (молярное соотношение 15: 1), показывает аналогичное распределение резонансов химического сдвига (Таблица 1), хотя разрешение, чем на рис.2 А . Наиболее разительное различие между спектром TFOM в изотропной дисперсии бицелл и SUV заключается в том, что трифторметильный резонанс, который проявляется в самом дальнем слабом поле, представляет собой дублет в спектре SUV. Эти наблюдения предполагают, что TFOM внедряется в изотропную бицеллярную систему аналогично тому, как это происходит в SUV, и что трифторметиловый дублет в спектре SUV связан с различиями в упаковке TFOM между внутренним и внешним монослоями SUV. Отнесения ТФОМ в изотропной бицелле (рис.2 A ) были получены на основе химических сдвигов, NOE и J-связей (36). Самый дальний пик слабого поля, отнесенный к положению 8, химический сдвиг которого характерен для трифторметильного резонанса, дал положительный NOE для самого сильнопольного пика, отнесенного к положению 7, в эксперименте с разностным NOE. Различный эксперимент NOE, который включал селективное насыщение, смешивание и обнаружение сигнала (вычитаемый из внерезонансного насыщения, смешивания и обнаружения), выявил только один NOE от трифторметила (8-положение) до 7-положения и наоборот. .Трифторметильный резонанс представляет собой триплет с расщеплениями, характерными для J-связи с четырьмя связями с 6-дифторметиленовой группой (36). J-связи с 4 связями между фторированными заместителями обычно намного больше, чем связи с тремя связями в перфторированных алифатических соединениях (36–38). Хотя триплет в трифторметильном резонансе можно наблюдать, никакие другие J-связи не наблюдаются непосредственно в спектре. Однако связи с четырьмя связями можно легко увидеть в эксперименте по двойной квантово-коррелированной спектроскопии ( 19 F, 19 F), как показано на рис.3. В этом случае трифторметил (8-положение) явно связывается с положением 6, которое, в свою очередь, соединяется с положением 4, тогда как положение 7, идентифицированное с помощью разностного эксперимента NOE, соединяется с положением 5, которое, в свою очередь, соединяется с положением 3. .
Рисунок 1Структурные формулы фторированного детергента TFOM, фосфолипида DMPC и нитроксидного спинового зонда CAT-16. Обратите внимание, что позиции 3–8 обозначают специфические фторированные сайты на TFOM.
фигура 219 Спектры ЯМР F ТФОМ в 15% (мас. / Мас.) Изотропной бицелле (DMPC / DHPC = 0.5) ( A ), 15% (мас. / Мас.) Дисперсия мелких однослойных везикул, состоящая из DMPC / DMPG = 15: 1 ( B ), и 15% (мас. / Мас.) Изотропных бицелл (DMPC / DHPC). = 0,5) при парциальном давлении кислорода 20 бар ( C ).
Таблица 1Химические сдвиги, относящиеся к трифторуксусной кислоте (-76,55 ppm), и скорости релаксации из экспериментов по инверсионному восстановлению TFOM в образце изотропных бицелл и SUV
Рисунок 3Контурная диаграмма из эксперимента по двойной квантово-коррелированной спектроскопии ( 19 F, 19 F) TFOM в изотропном q = 0.5 бицелл при 40 ° C. Индексы 3–8 относятся к конкретной позиции в цепочке TFOM.
Попытки идентифицировать резонансы, связанные с сайтами, близкими к поверхности мембраны, либо с помощью дифференциальных сдвигов, либо уширения линий в результате добавления реагентов парамагнитного сдвига (Dy 3+ , Dy 3+, EDTA или Dy 3+ DTPA или эквивалентные комплексы с Gd 3+ ) все не удалось. Хотя можно было наблюдать большие сдвиги в слабом поле, каждый резонанс давал почти точно такой же сдвиг при увеличении количества добавляемого сдвигающего реагента.Мы связываем этот результат либо с быстрой заменой детергента, TFOM, с сосуществующими мицеллами, либо с проникновением сдвигающего реагента в мембрану. Для сравнения, в ориентированной среде бицелл, состоящей из 25% (мас. / Мас.) Дисперсии TFOM и DMPC / DHPC = 3, дифференциальные сдвиги в слабое поле, возникающие в результате добавления Dy 3+ EDTA, можно было увидеть для положения 3, что подтверждает наши выводы. отнесение и представление о том, что позиция 3 находится ближе всего к границе раздела мембрана – вода.
Мембранно-растворимые и водорастворимые спиновые метки ESR широко используются в ЯМР-исследованиях мембранных белков и мембранных пептидов, в первую очередь в мицеллах детергентов, для определения поверхностного воздействия и глубины погружения (39–44).Как правило, эти эксперименты включают добавление спин-меченных зондов, в которых нитроксид или парамагнитные частицы расположены (на липидной или жирнокислотной цепи) на определенной глубине мицеллы. Альтернативно спиновая метка может быть прикреплена к головной группе липида или просто солюбилизирована в водной области. Поскольку парамагнитные спиновые метки влияют на времена релаксации ЯМР и, следовательно, на высоту пиков резонансов, связанных с ядерными спинами в пределах приблизительного радиуса 15 Å спиновой метки, изменения в высоте пиков одно- или двумерных спектров ЯМР напрямую связаны с доступностью воды или глубина специфических ядерных спинов в мицелле.Используя парамагнитные частицы, которые ограничены либо внутренней частью мембраны, либо водной областью, глубина погружения мембраны может быть определена аналогичным образом с помощью экспериментов с энергетическим насыщением ESR спиновых меток, прикрепленных непосредственно к остаткам цистеина, введенных в интересующий участок мембранного белка. Однако изменения во времени спин-решеточной релаксации ЭПР нитроксида, T 1 , являются результатом опосредованных столкновениями (обмен Гейзенберга) взаимодействий между парамагнитными частицами и нитроксидной меткой.Напротив, времена спин-решеточной релаксации ЯМР сокращаются за счет добавления парамагнитных частиц через механизмы диполярной релаксации и, следовательно, зависят от усредненного по движению расстояния, r IS , между ядерными и парамагнитными частицами. Следовательно, эксперименты по ЭПР с насыщением дают информацию о локальной подвижности и столкновении парамагнитных частиц, тогда как измерения ЯМР более точно отражают расстояние. В частности, парамагнитный вклад в скорость ядерной спин-решеточной релаксации, 1/ T 1 P , дается в пределах короткого времени корреляции (ω l τ с ≪ 1 ) как (45–46) 1, где ω I и ω S определяют ядерные и электронные ларморовские частоты, тогда как γ I и γ S представляют соответствующие гиромагнитные отношения, τ S характеризует движение вектора r IS , а W пропорционально локальной концентрации парамагнитных частиц.Концентрация молекулярного кислорода в мембране, C O 2 M , определяется законом Генри (по крайней мере, до парциальных давлений 100 бар) и может быть выражена через коэффициент распределения K p , между мембраной и водой (43), так что 2, где α H — постоянная закона Генри (5,9 × 10 17 бар −1 cm −3 ). Используя коэффициент разделения мембраны 2.9 (46), концентрация молекулярного кислорода в мембране при парциальном давлении 20 бар оценивается в 3,6 × 10 19 см -3 , или 4,5% от концентрации липидов. Таким образом, мы можем выразить наблюдаемую скорость спин-решеточной релаксации при 20 бар, R 1 20 бар , через парамагнитную составляющую, R 1 P , и непарамагнитную составляющую, R 1 0 . Измеряя скорости спин-решеточной релаксации при 20 бар и парциальных давлениях кислорода окружающей среды после дегазации образца, мы можем определить R 1 P по разнице, 3 Эта процедура предполагает отсутствие внесенных конформационных или динамических изменений. давлением.Как правило, конформационные или динамические эффекты давления не наблюдаются в модельных мембранах по данным ЯМР ниже 200 бар (47–48). Кроме того, Киммих и Петерс провели тщательные контрольные измерения 1 H T 1 времен релаксации в липидных везикулах при эквивалентных парциальных давлениях N 2 , чтобы продемонстрировать, что изменения времен релаксации возникают из-за парамагнитных релаксационных эффектов с кислородом (46 ). В наших руках 19 F T 1 измерений TFOM в бицеллах при эквивалентных давлениях N 2 привели к незначительному увеличению скорости релаксации по сравнению с эквивалентным измерением при атмосферном давлении, хотя не было никаких зависимых от глубины эффектов.
Одним из важных преимуществ использования парамагнитного кислорода для эффективного влияния на времена спин-решеточной релаксации фтора в модельной мембране является то, что этот эффект не наблюдается как вклад в сильное уширение линий при исследованном давлении, за исключением маргинального уширения, наблюдаемого в трифторметильная группа. Здесь времена спин-решеточной релаксации значительно больше, чем времена спин-спиновой релаксации, и парамагнитный кислород преимущественно эффективен.Кроме того, как свидетельствует спектр на фиг. 2 C TFOM в изотропной дисперсии бицелл под давлением 20 бар P O 2 , резонансы химического сдвига изменяются лишь незначительно по сравнению с шириной линии. Однако наблюдается явный сдвиг в слабое поле, увеличивающийся с положением цепи при введении кислорода при парциальном давлении 20 бар (Таблица 1). Наиболее значительный эффект от более высоких концентраций кислорода для этого образца связан с увеличением скорости спин-решеточной релаксации.Эти изменения в скоростях спин-решеточной релаксации представлены в таблице 1 для положений с 3 по 8 из-за введения кислорода при парциальном давлении 20 бар или из-за добавления связанной с поверхностью спиновой метки из нитроксида CAT-16. Изменения в скоростях релаксации ( R 1 20бар — R 1 0 ) позволяют измерить только член парамагнитной релаксации, R 1 P , который через уравнение.1 прямо пропорционален локальной концентрации кислорода. Точно так же разница, R 1 CAT-16 — R 1 0 , отражает парамагнитные взаимодействия между различными спинами фтора и поверхностно-связанным нитроксидным зондом. Таким образом, можно исключить релаксационные процессы, которые, возможно, не связаны с погружением или доступностью поверхности. Разница, R 1 20bar — R 1 0 , чрезвычайно чувствительна к положению цепи. R 1 20бар — R 1 0 является наибольшим для трифторметильного положения (т.е. R 1 20 бар — R 1 9 0 −1 ), который, как ожидается, будет больше всего погружен в мембрану. Более того, эта разница монотонно уменьшается в пределах неопределенности по направлению к 3-позиционному (то есть R 1 20бар — R 1 0 = 2.45 с -1 ), что соответствует предполагаемому профилю глубины погружения фторсодержащих меток в мембрану. Эти результаты суммированы на рис. 4, где наблюдается явное увеличение скорости парамагнитной релаксации, возникающей из-за кислорода, с увеличением положения цепи или, что эквивалентно, глубины погружения мембраны. Напротив, скорости парамагнитной релаксации в результате добавления CAT-16 обычно уменьшаются с увеличением глубины погружения. Третий профиль на рис. 4 представляет собой зависимость скоростей парамагнитной релаксации ТФОМ в метаноле из-за добавления кислорода при давлении 100 бар.Поскольку концентрация TFOM была ниже критической концентрации мицелл, кислород должен быть одинаково доступен в каждой позиции, что приводит к почти ровной линии, как показано на рис. 4.
Рис.Скорости парамагнитной релаксации ( R 1 P ) ТФОМ в изотропной бицелле q = 0,5 при парциальном давлении кислорода 20 бар (сплошные квадраты). Скорости парамагнитной релаксации при атмосферном давлении при добавлении спиновой метки из нитроксила, закрепленной на поверхности, CAT-16, показаны в виде пустых квадратов.Соответствующие скорости в метаноле при парциальном давлении кислорода 100 бар показаны крестиками. Обратите внимание, что левая шкала применяется к сплошным квадратам, а правая шкала применяется к незакрашенным квадратам и крестикам.
Выводы
Таким образом, изменения скоростей спин-решеточной релаксации 19 F ЯМР, вызванные присутствием кислорода при парциальном давлении 20 бар или выше, являются чувствительным индикатором глубины погружения фторированных мембранно-ассоциированных молекул в модельные мембраны, такие как мицеллы детергента и изотропные бицеллы.Тенденция, при которой скорость парамагнитной релаксации, R 1 20бар — R 1 0 , увеличивается с положением вдоль цепочки моющего средства, объясняется тем фактом, что позиции с 3 по 8 все больше погружаются в мембрана, в соответствии с зависящими от глубины свойствами растворимости кислорода. Противоположная тенденция скоростей парамагнитной релаксации с положением цепи наблюдалась при добавлении CAT-16, что согласуется с тем фактом, что парамагнитная спиновая метка расположена на поверхности мембраны.Важно подчеркнуть, что молекулярный кислород не приводит к нежелательному уширению линий, как в случае применения спиновых меток ЯМР для исследования глубины мембраны. Частично это происходит из-за благоприятно короткого времени электронной релаксации кислорода и различий в скоростях спин-решеточной и спин-спиновой релаксации в этих системах. Наконец, в отличие от исследований с погружением в мембрану, в которых сочетаются спиновые метки и ЯМР, молекулярный кислород можно легко добавлять и удалять, что требует единственного образца.Влияние давления на локальную структуру или динамику также можно безопасно игнорировать при давлении 20 бар.
Результаты предполагают возможность использования изменений времени спин-решеточной релаксации 19 F ЯМР, индуцированных кислородом, для определения глубины погружения сайт-направленных мембранных белков 19 F-меченых белков в мицелле детергента и модельной мембране. системы. Эти выводы подтверждаются аналогичными исследованиями релаксации специфически фторированных холестеринов в модельных мембранах, о которых будет сообщено в следующей статье.Недавно аналогичное исследование показало, что скорости спин-решеточной релаксации протонов можно использовать для контроля доступа кислорода внутрь водорастворимого белка (49). Однако следует подчеркнуть, что наша методология предназначена для исследования поверхности или топографии ассоциированной с мембраной макромолекулы или мембранного белка, метки которых подвергаются воздействию липидной двухслойной среды, а не более гетерогенной внутренней части водорастворимого белка.
Благодарности
р.S.P. благодарит Research Corporation (RI0322) за возможность проведения этого исследования. Мы также благодарим Ad Bax, Chris Roe, J. Brechtelsbauer, M. Tubergen и L. Holland за их помощь в технических аспектах экспериментов с высоким давлением.
Сноски
↵ † Кому следует обращаться с запросами на перепечатку. Электронная почта: sprosser {at} cabin.kent.edu.
Статья перед печатью опубликована на сайте: Proc.Natl. Акад. Sci. USA , 10.1073 / pnas.170295297.
Статья и дата публикации находятся на www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.170295297
Сокращения
- TFOM,
- 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-тридецилфтор-β-d — октилмальтозид;
- DMPC,
- 1,2-димиристоил- sn -глицеро-3-фосфохолин;
- DHPC,
- 1,2-дигексаноил- sn -глицеро-3-фосфохолин;
- SUV,
- небольшой однослойный пузырек;
- DMPG,
- 1,2-димиристоил- sn -глицеро-3-фосфоглицерин;
- CAT-16,
- 4- ( N , N -диметил- N -гексадецил) аммоний-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксилиодид;
- NOE,
- ядерный эффект Оверхаузера
- Поступило 9 мая 2000 г.
- Принято 27 июня 2000 г.
- Copyright © Национальная академия наук
Погружение в виртуальную реальность — Общество виртуальной реальности
Immersion — это, по сути, уникальный опыт, связанный с миром виртуальной реальности. Здесь пользователь, целиком исследующий трехмерный мир виртуальной реальности, просто погрузится в этот притворный мир как в реальный мир. По сути, это ощущение причастности пользователя к виртуальному миру, грамотно разработанному экспертами.
У них есть сила взаимодействовать с этим миром. Эта уникальная комбинация, в которой пользователь может погружаться, а также взаимодействовать с симуляциями, известна как Telepresence. Это изобретение известного компьютерного ученого Джонатана Стойера. Таким образом, пользователь забывает о своем реальном сценарии мира, забывает свою настоящую личность, ситуацию и жизнь и погружает его в мир воображения, приключений и исследований. Он больше сосредоточен на своей недавно созданной личности в мире виртуальной реальности.
По словам Джонатана Стойера,Immersion состоит из двух основных компонентов. Это: —
- Глубина информации
- Широта информации
Пока пользователь использует моделирование и взаимодействие между пользователем и виртуальной средой происходит, в сигналах принимается некоторый объем данных. Эта информация называется глубиной информации. Глубина информации может обязательно включать все, что угодно, начиная от разрешения дисплея, качества графики, эффективности звука и видео и т. Д.
Джонатан Штойер также определяет широту информации как ряд сенсорных измерений, представленных одновременно. Любая виртуальная среда может быть определена как имеющая более широкий спектр информации всякий раз, когда она стимулирует все человеческие чувства. Пользователь должен полностью сосредоточиться на новой личности и мире, который он исследует. Звуковые и визуальные эффекты являются наиболее исследуемой областью при создании хорошей виртуальной среды. Они считаются основными факторами, которые могут стимулировать все органы чувств пользователя.Чувству осязания уделяется все больше и больше внимания, поскольку оно стало доминирующим фактором стимулирования человека. Те системы, которые позволяют пользователям взаимодействовать посредством прикосновения, известны как Baptic Systems.
С точки зрения пользователей также необходимо полностью и эффективно исследовать виртуальную среду в масштабе жизни. Это докажет, насколько эффективно погружение. Перспективы также нужно менять плавно. Скажем, например, в виртуальной среде есть комната, и она содержит пьедестал прямо посередине комнаты, тогда пьедестал должен быть виден пользователю с любого угла комнаты.Точка обзора также будет перемещаться соответственно при изменении угла обзора пользователя. Однако доктор Фредерик Брукс, легенда технологии виртуальной реальности и комментирует теорию, что дисплеи должны проецировать частоту кадров не менее 20–30 кадров в секунду, чтобы обеспечить эффективное взаимодействие с пользователем.