MPI سيبرموتيون محاكي: تنفيذ جهاز محاكاة الحركة الرواية المعنية بالتحقيق في مسار التكامل متعدد الحواس في ثلاثة أبعاد

يتمثل الهدف العام للتجربة التالية في قياس الملاحة المسارية في ثلاثة أبعاد مع التحكم في المدخلات الحسية البصرية والدهليزية للمشارك. ويتم تحقيق ذلك باستخدام كرسي روبوتي معدل بست درجات من الحرية يعمل على تحفيز الجهاز الدهليزي للشخص الجالس على الكرسي. يشاهد المشارك حقلاً نجمياً افتراضياً، ومن خلال تحريك الكرسي الروبوتي وتغيير الحقل النجمي في آن واحد، يوفر النظام إشارات بصرية ودهليزية للمشارك.

يقدم المشاركون تغذية راجعة حول الملاحة في المسار من خلال دقة وسرعة قدرتهم على الإشارة مجدداً إلى نقطة البداية المتذكرة. وتظهر النتائج أن التقدير غير الدقيق للحركة الذاتية يعتمد على مستوى الحركة والزاوية التي يتم تحريكهم من خلالها. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل منصات الحركة في أن محاكي MPI Cyber Motion يتميز بمساحة عمل كبيرة قادرة على تحريك المراقبين في أبعاد مختلفة، لا سيما نحو الأسفل.

يمكن لهذه الطريقة أن تجيب على أسئلة جوهرية في مجال العلوم العصبية، مثل ما إذا كان الدماغ يمثل الحركة الذاتية بالتساوي في الأبعاد المختلفة. استلهمنا فكرة هذه التجارب من دراسة أجراها زميلنا مانويل فيدال، حيث قام بنقل الأشخاص عبر متاهات افتراضية باستخدام العرض البصري فقط.

وقد وجد هنا أن الملاحة الدوائية تضعف عندما تتضمن MACES مكوناً عمودياً. وتمتد تداعيات هذه التقنية نحو تشخيص الارتباك المكاني لأنها توفر معياراً مرجعياً للملاحة المسارية في الدماغ الطبيعي. يتكون محاكي الحركة NPI Cyber من روبوت تسلسلي سداسي المفاصل بتكوين 3, 2, 1.

يعتمد هذا النظام على روبوت صناعي بحمولة تبلغ 500 kilogram لجعل الروبوت آمناً لإجراء التجارب. وقد أُجريت تعديلات على كل من الأجهزة والبرمجيات، مما أتاح إمكانية تنفيذ ملفات حركة معقدة تدمج بين الحركات الجانبية والدورانية، وذلك باستخدام محاكي الحركة السيبراني MPI.

يمكن للمحاور واحد وأربعة وستة الدوران بشكل مستمر، بينما تحد أربعة أزواج من القطع الميكانيكية ومصدات الحركة المحاور اثنين وثلاثة وخمسة في كلا الاتجاهين. يعتمد المدى الأقصى للحركات الخطية بشكل كبير على الموضع الذي تبدأ منه الحركة. وقبل إجراء أي تجارب، يجب أن يخضع كل مسار حركة تجريبي لمرحلة اختبار.

يتم برمجة المسارات باستخدام جهاز كمبيوتر مكتبي من تصميم KUKA لتهيئة محاكي الحركة السيبرانية MPI. وفي هذا التكوين ذي الحلقة المفتوحة، يتم وضع المسارات بإحداثيات ديكارتية، ثم تُحول إلى زوايا في حيز المفاصل عبر الكينماتيكا العكسية كل 12 ميلي ثانية. وتُنقل مواضع زوايا المفاصل الحالية من نظام التحكم إلى محاكي الحركة السيبرانية MPI عبر اتصال ethernet، حيث يتم قراءتها تدريجياً وتسجيلها على القرص الصلب في الروبوت.

يتم تثبيت مقعد سيارة سباق مجهز بنظام حزام أمان خماسي النقاط على هيكل يتضمن مسنداً للقدمين. ويُثبَّت هذا الهيكل على شفة ذراع الروبوت. يجب على المشاركين ارتداء سماعات رأس عازلة للضوضاء، مجهزة بميكروفون للتواصل ثنائي الاتجاه مع الباحث.

يجب أن يكون هؤلاء الأشخاص أيضاً غير ملمين بإعدادات التجربة. يتم تشغيل ضوضاء مستمرة عبر سماعات الرأس، مما يحجب ضوضاء الروبوت. كما يمكن إجراء التجارب من خلال إجلاس المشاركين داخل كابينة مغلقة أثناء تنفيذ التجربة في الظلام.

تتيح الكاميرات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء المراقبة المرئية من غرفة التحكم. وهناك تكوينات تصور متعددة ممكنة، بما في ذلك شاشة LCD، أو عرض أمامي ستيريو، أو عرض أمامي أحادي، أو شاشة مثبتة على الرأس. في هذه التجربة، يتم توفير الإشارات المرئية للحركة الذاتية بواسطة شاشة LCD، موضوعة على بُعد 50 سنتيمتر أمام المراقبين لتقديم الإشارات المرئية.

يعرض البرنامج للمشارك مساحة افتراضية من اتجاهات المثيرات البصرية (OID) مليئة بـ 200,000 نقطة. تُرسم كل نقطة في المساحة كدائرة بيضاء على خلفية سوداء. وتعرض الشاشة نقاطاً تقابل زوايا بصرية تتراوح من 13 إلى 0.3 درجات.

تقع هذه النقاط على مسافة 0.085 وأربع وحدات افتراضية من المشارك. تتم مزامنة الحركة في المجال الافتراضي مع الحركة الفيزيائية عبر مسارات الحركة من جهاز كمبيوتر التحكم MPI لإنشاء اختلاف في المنظور (parallax) بين التدفق البصري والحركة.

تُرسم النقاط الأكثر عمقاً في مجال الرؤية بحجم أصغر بغض النظر عن تحركات المشارك. تُعرض كل نقطة لمدة ثانيتين بشكل غير متزامن قبل أن يتم إعادة تعيينها عشوائياً. وبذلك، تتحرك مائة ألف نقطة إجمالاً في كل ثانية.

يسمح عصا تحكم مصممة خصيصًا ومجهزة بأزرار استجابة للمشاركين بنقل البيانات عبر اتصال إيثرنت إلى نظام التحكم. يمكن التحكم في المعلومات الحسية من خلال تقديم إشارات بصرية فقط من مجال نجمي محدود العمر، أو إشارات دهليزية حركية فقط من الحركة الذاتية السلبية مع إغلاق عيني المشارك، أو كلا الإشارتين مع فتح عيني المشارك.

في هذه التجربة، تألفت مسارات الحركة من طولين لقطاعين؛ الأول بطول 0.4 meters، والثاني بطول one meter. ويتم نقل الزاوية بين أي قطاعين من قطاعات الحركة إما بمقدار 45 degrees أو 90 degrees.

على سبيل المثال، تتكون الحركة في المستوى الأفقي إما من حركة أمامية نحو اليمين بزاوية 90 درجة، أو حركة نحو اليمين بزاوية 45 درجة، أو حركة أمامية بزاوية 90 درجة، أو حركة أمامية نحو اليمين بزاوية 45 درجة. كما يتم تنفيذ هذه الأنواع من الحركات في المستويين السهمي والجبهي. ويتم تقديم المسارات كإزاحات بدون دوران.

يتبع كل مسار تسلسل إعادة تموضع، يليه توقف لمدة 15 ثانية لتقليل أي تداخل محتمل ناتج عن الحركة قبل كل تجربة، ولضمان اختبار الجهاز الدهليزي من حالة استقرار؛ ومن أجل تقديم تغذية راجعة حول حركتهم المدركة، يقوم المشاركون بتحريك سهم باستخدام عصا تحكم للإشارة إلى حركتهم بالنسبة لنقطة الأصل. يتم عرض نقطة الأصل كشخصية افتراضية (avatar) من ثلاث وجهات نظر، ويكون السهم دائمًا في موضع عشوائي قبل التعديل الذي يسبق التجارب. ومن الضروري تدريب المشارك على استخدام نظام التغذية الراجعة بدقة.

يجب أن يكونوا قادرين على توجيه السهم نحو الأشياء الموجودة في محيطهم، مثل عصا التحكم المستقرة على أحضانهم أثناء التجربة. وتكون حركة عصا التحكم مقيدة بمستوى المسار، ويمكن للمشاركين استخدام أي من وجهات النظر أو جميعها عند جمع البيانات. يتم تكرار كل حالة تجريبية ثلاث مرات وتقديمها بترتيب عشوائي.

تم تحليل البيانات الخاصة بالمشاركين الـ 16. أولاً، تم استبعاد درجات القيم المتطرفة للغاية، ولم يكن لنمط الاستجابة أو الزاوية أي تأثير معنوي على الحركة المقدرة. ومع ذلك، قلل المشاركون من تقدير حجم زاوية الحركة في المستوى الأفقي بمقدار تسع درجات تقريباً، وبالغوا في تقدير حجم الزاوية في المستوى الجبهي بمقدار خمس درجات تقريباً. هنا.

وُجد أن عامل الزاوية يتفاعل بشكل ملحوظ مع عامل المستوى الجبهي، بحيث كانت التقديرات المفرطة أكبر في الحركات بزاوية 45 درجة مقارنة بالحركات بزاوية 90 درجة. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن نمط الاستقبال يتفاعل بشكل ملحوظ مع الزاوية، حيث كانت التقديرات الناقصة الناتجة عن المعلومات الدهليزية وحدها في الحركات بزاوية 90 درجة أكبر بكثير مقارنة بالظروف البصرية والمشتركة. وكانت هذه التناقضات غائبة في الحركات بزاوية 45 درجة.

وُجد أن زمن الاستجابة كان أبطأ بشكل ملحوظ عندما تم تقديم التغذية الراجعة بناءً على الإشارات الحركية الدهليزية وحدها مقارنةً بالحالات البصرية والمدمجة. كما كان المشاركون أبطأ بشكل ملحوظ عند تحريكهم في المستوى الأفقي مقارنةً بالمستويات الأخرى. وتعد هذه النتائج مفاجئة حقاً لأنها تشير إلى أن تمثيل الدماغ للمكان ليس متماثلاً عبر الأبعاد.

لقد عرفنا منذ فترة أن الناس يميلون إلى تقدير حركتهم في المستوى الأفقي بأقل من قيمتها الحقيقية، ونبين هنا لأول مرة أن الأمر ليس كذلك في البعد الرأسي. في المستقبل، سنتمكن من استخدام هذه الطرق لإنشاء مسارات في جميع الأبعاد الثلاثة، بما في ذلك المسارات المنحنية. سيمكننا ذلك من الإجابة على أسئلة إضافية، مثل كيفية قدرة الدماغ على دمج الحركة عبر المستويات المختلفة، وكذلك كيفية توجيهه عند المنعطفات.