人在太空，如何监测航天员在轨认知能力？

认知能力，是人的大脑处理信息、进行思考和决策的能力。对于在轨飞行的航天员来说，认知能力不仅关系到个人工作效率，也影响着飞行任务的进展安排。为何要研究航天员在轨认知能力？研究人员研发了哪些测试方法呢？

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开展航天员在轨认知能力监测的原因

航天员在轨认知能力监测是评估航天员在轨状态、安排航天员执行复杂动态任务的重要依据。认知能力包括记忆、注意力、决策和问题解决等多方面，这些能力直接影响航天员执行任务的效率和准确性。长期在轨飞行期间，航天员将完成空间科学实（试）验、设备维护更换、出舱活动、机械臂遥操作等复杂任务，但微重力、辐射、隔离和密闭空间等多种环境因素，可能对航天员的认知功能产生影响，从而影响其在轨表现。因此，定期监测航天员的认知能力有助于及时发现潜在问题，采取相应措施，确保任务的成功执行。

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在轨认知能力测试的原则与特点

在轨认知能力测试的原则包括：

① 测试时间不应过长，避免航天员因大脑疲劳影响日常工作；

② 测试限制不宜过多，以适应太空环境中的特殊条件；

③ 尽量避免练习效应，确保测试结果的准确性。

在轨认知能力测试的特点包括：

① 涵盖多种认知领域，如知觉、注意、记忆、逻辑推理等；

② 计算机化测试，便于在太空环境中实施和管理；

③ 测试任务设计简单，易于航天员理解和操作；

④ 测试结果便于分析和比较，有助于评估航天员的认知状态变化。

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国际在轨认知能力测试的发展阶段及测试方法

国际在轨认知能力测试的发展可分为三个阶段，即前WinSCAT测试阶段、WinSCAT测试阶段、Cognition测试阶段。

在第一阶段，不同研究者使用的在轨认知测试方法并不相同，其中较有代表性的是由美国国家航空航天局（NASA）研究人员研发的操作测试评估站软件包（PAWS），主要测试航天员短时记忆、空间记忆、注意力、眼手协调以及注意分配等能力，以评估航天员的基本认知能力，应用于国外早期载人航天任务中。

PAWS认知测试项目

① 追踪测试-评估眼手协调能力

测试中，航天员需要使用轨迹球输入设备来跟踪一个移动的目标。

② 空间旋转测试-评估工作记忆和心理旋转能力

测试中，航天员需要判断连续呈现的图形与上一次呈现的图形相同或不同。

③ 斯滕伯格记忆搜索-评估工作记忆和注意力

测试中，航天员需要先记忆一组字符，然后在后续的测试中判断新出现的字符组是否与记忆中的字符相符。

④ 连续再认记忆测试-评估工作记忆和注意力

测试中，屏幕上会连续呈现一上一下2个数字，航天员需要记忆当前呈现的上部数字是否与上一组的下部数字相符。

⑤ 注意力和加减法测试-评估数学计算能力、心理旋转能力、注意力和警觉性

测试包括注意力测试和数学运算两个子任务，两项任务的要求及航天员的反应按键均不相同。

⑥ 双任务测试-评估注意分配能力

测试结合了追踪测试和斯滕伯格记忆测试，要求航天员同时完成两项任务。

在第二阶段，NASA研发了Windows系统飞行乘组认知能力测评工具（WinSCAT），满足了在轨认知测试敏感性、简便性、可重复性、有效性等要求，在发布后即成为NASA的标准认知测验工具。相比于PAWS测试，整体上降低了测试难度，也减少了航天员在轨测评的时间，便于航天员短时间内完成自评。

WinSCAT认知测试项目

① 符号替换测试-评估视觉信息搜索速度和注意力

测试中，航天员需要根据给定的数字和符号对应关系，判断新的字符组是否对应。

②符号替换再认测试-评估工作记忆和视觉信息搜索速度

测试中，航天员需先记忆数字和符号的对应关系，并在对应关系消失后，判断新的字符组与记忆中的对应关系是否相符。

③ 延迟匹配测试-评估工作记忆和心理旋转能力

测试中，航天员需要先记忆一个彩色立方体，并在其消失几秒后从新呈现的两个相似立方体中选择与原来相同的一个。

④加减法测试-评估数学计算能力和注意力

测试中，航天员需要完成一系列加减法运算，并判断结果。

⑤ 连续工作记忆测试-评估工作记忆和注意力

测试中，航天员需要记住并识别连续出现的数字序列。

在第三阶段，NASA开发了一种新的乘组认知测试工具（Cognition），较WinSCAT增加了测试项目，且更加注重航天员逻辑推理、情绪识别、风险偏好和空间认知能力。

新 品 上 架

中国空间站3D文具盒

Cognition测试项目

① 运动测试-评估警觉性和眼手协调能力

测试中，航天员需快速点击屏幕上逐渐变小的方块。

②三维物体记忆测试-评估工作记忆、注意力和心理旋转能力

测试中，航天员需要从一众三维物体中识别出前期已记忆的物体。

③ 2-Back测试-评估工作记忆能力

测试使用分形图形，要求航天员识别当前图形是否与之前两个图形中的任一个相同。

④抽象推理测试-评估逻辑推理能力

测试中，航天员需要根据已知图形与其他图形的内部关系进行匹配。

⑤ 线段朝向测试-评估空间认知和眼手协调能力

测试中，航天员需要调整线段使其与另一线段平行。

⑥ 情绪识别测试-评估情绪识别能力

测试中，航天员需要准确识别图片中人物的情绪类型。

⑦ 逻辑推理测试-评估逻辑推理能力

测试类似于瑞文推理测试，要求航天员根据现有图形规律选择正确的图形与其匹配。

⑧ 字符匹配测试-评估视觉信息搜索速度

测试中，航天员需要根据给定的符号和数字对应关系进行快速反应。

⑨ 气球模拟测试-评估风险偏好

测试中，航天员需要决定是否继续给屏幕中的气球充气以获取更多收益或停止充气以保存收益。

⑩ 警觉性测试-评估警觉性

测试中，航天员需要在红色方框出现跳动数字时尽快做出反应，最后记录从数字出现到按下空格键的时间。

这些发展阶段反映了人们对航天员认知能力评估的不断深入和完善，为了解在轨飞行对航天员认知功能的影响提供了指标依据。

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中国航天员在轨认知能力监测研究概况

我国自神舟九号载人飞行任务以来，在轨完成了多项面向工效学评价和认知能力研究的在轨测试项目，主要包括在轨眼手协调测试、简单反应时测试、选择反应时测试、时间知觉测试、工作记忆测试和双任务测试等，并且在短期在轨飞行中，选用的认知测试项目更加偏向警觉性、注意、记忆、精细操作能力等基本认知能力和影响航天员在轨操作绩效的因素。随着中国空间站进入长期有人驻留模式，航天员在轨执行任务时间更长、内容更复杂，对航天员认知能力提出了更高要求。

例如，在行为能力研究方面，天地协同配合开展了“眼手协调运动能力变化规律研究”，面向载人航天飞行中航天员典型操作任务需求，研究航天员精细操作控制稳定、准确性和协调性变化规律，测试期间，由航天员先填写主观困倦度问卷，再利用视功能仪完成眼手协调测试，包括在极快和相对慢两种条件下的点到点滑动、睁眼和闭眼两种条件下的手指空中运动等测试内容，为后续任务程序和人机交互设计提供参考；开展了“空间站任务长期载人飞行对航天员操作绩效影响研究”，利用空间站任务长期在轨特点，依托在轨训练、在轨任务和实（试）验项目等安排，选定参与研究的项目，航天员在完成各项目操作后，填写操作用时、疲劳量表和脑力负荷量表，地面科研人员通过收集和分析其在轨操作绩效数据，初步掌握航天员飞行任务操作技能变化特点和规律。

神舟十八号乘组配合地面开展眼手协调运动能力变化规律研究

在心理学研究方面，天地协同配合开展了“空间站任务航天员在轨情绪识别与评价技术研究”，航天员利用实验信息管理计算机和相应测试软件，分别完成心境状态问卷、颜色偏好测试、状态焦虑问卷、正负性情绪状态问卷、情绪图片测验等测试，地面科研人员以此评估其情绪状态，探索空间站任务期间航天员情绪状态的变化规律，探究中长期飞行对航天员情绪状态影响；开展了“空间站任务航天员应急决策能力研究”，航天员利用实验信息管理计算机和相应测试软件，分别完成基本认知能力测试、风险认知测试、决策风格测试和综合决策任务，地面科研人员利用测试成绩全面评估航天员在轨应急决策能力，结合地面测试数据，探究在轨时长、情绪状态和工作负荷等因素对应急决策能力测试结果的影响，验证变化规律。

神舟十八号乘组配合地面开展空间站任务航天员应急决策能力研究

总的来看，在保留警觉性、工作记忆等基本认知能力测试的基础上，借鉴心理学领域已有的成熟范式，同时结合负荷状态、情绪状态等多种指标，发展适用于空间站长期飞行任务的综合认知能力测试评价工具是后续研究的重要方向。特别是随着人工智能、大数据、虚拟现实等技术的发展，航天工效学、心理学研究领域将会开发更多系统、有效的测试和分析方法，助力在轨认知能力监测的不断发展与完善。

参考文献

[1]石玉生,黄伟芬,江源,等.航天员在轨认知能力监测研究进展[J].载人航天,2022,28(02):263-269.

[2]石玉生,黄伟芬,江源,等.载人航天领域决策研究方法初探[J].载人航天,2021,27(03):321-322.

本文转载自公众微信号：中国载人航天

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