MPI CyberMotion 模拟器：一种新型运动模拟器的实现及其在三维多感官路径整合研究中的应用

以下实验的总体目标是在控制参与者视觉和前庭感觉输入的同时，测量其在三维空间中的路径导航能力。该目标通过使用一种具有六个自由度的改良型机器人椅来实现，该机器人椅可对坐在其中的参与者产生前庭系统刺激。参与者可观察虚拟星空。通过移动机器人椅并同时改变星空图像，系统可向参与者提供视觉和前庭线索。

参与者通过准确性和返回记忆起始位置所需的时间来提供路径导航反馈。结果表明，对自身运动估计的不准确性取决于运动平面以及移动的角度。与现有的运动平台等方法相比，该技术的主要优势在于，MPI Cyber Motion 模拟器具有较大的工作空间，能够使观察者在不同维度上移动，尤其是向下移动。

该方法可以解答神经科学领域中的关键问题，例如大脑是否以相等程度表征不同维度的自我运动。我们从同事 Manuel Vidal 的一项研究中获得了这些实验的灵感。他仅通过视觉呈现，使人们在虚拟的迷宫中移动。

他发现，当 MACES 包含垂直分量时，药物导航能力会受到损害。该技术的应用意义在于为空间定向障碍的诊断提供了可能，因为它们为正常大脑中的路径导航提供了基准。NPI 网络运动模拟器由一个六关节串联机器人组成，采用 3、2、1 配置。

该系统基于一台有效载荷为500公斤的工业机器人，以确保机器人在实验过程中的安全性。对硬件和软件均进行了改造，可实现复杂的运动轨迹，包括侧向移动与旋转的组合运动。通过MPI网络运动模拟器实现。

轴一、四和六可连续旋转，四对硬件限位装置在两个方向上限制轴二、三和五。线性运动的最大范围在很大程度上取决于运动起始位置。在开展任何实验之前，每条实验运动轨迹都必须经过测试阶段。

使用KUKA设计的办公用PC对MPI cyber motion模拟器进行轨迹编程。在此开环配置中，轨迹以笛卡尔坐标系输入，并通过逆向运动学每12毫秒转换为关节空间角度。当前的关节角度位置通过以太网连接从控制系统传输至MPI cyber motion模拟器，并在机器人端被逐次读取并记录到磁盘中。

一辆赛车座椅配备五点式安全带系统，并连接至包含脚踏板的底盘。该底盘安装在机器人机械臂的法兰盘上。受试者必须佩戴带有麦克风的主动降噪耳机，以便与实验人员进行双向通信。

受试者还应未接触过实验装置。耳机中会持续播放噪音，以掩盖机器人的运行声音。也可将受试者安置在封闭的舱室内进行实验，因为实验是在黑暗环境中进行的。

红外相机可实现从控制室进行视觉监控。可采用多种可视化配置，包括液晶显示屏、立体前投影、单目前投影或头戴式显示器。在本实验中，通过放置在观察者前方50厘米处的液晶显示屏提供自我运动的视觉线索。

该软件向参与者呈现一个充满200,000个点的虚拟OID空间。每个点以白色圆形显示在黑色背景上。屏幕上显示的点对应于13至0.3度的视觉角度。

这些点距离参与者分别为 0.085 和四个虚拟单位。虚拟场景的运动通过来自 MPI 控制计算机的运动轨迹与实际运动同步，从而在视流与运动之间产生视差。

视野中较深处的点无论参与者如何移动都会被绘制得更小。每个点异步显示两秒钟后，会被随机重新分配位置。因此，每秒钟共有十万个点在移动。

一种定制的操纵杆配备了响应按钮，可允许参与者通过以太网连接向控制系统传输数据。可通过提供有限寿命星场的纯视觉线索来操控感觉信息；也可在参与者闭眼的情况下，仅提供来自被动自我运动的前庭本体感觉线索；或在参与者睁眼的情况下同时提供两种线索。

在本实验中，运动轨迹由两段线段组成。第一段长度为 0.4 米，第二段长度为 1 米。任意两段运动线段之间的夹角为 45 度或 90 度。

例如，水平面内的运动包括：向前向右移动90度、向右移动45度、向前移动90度，或向右前方移动45度。这类运动也可在矢状面和冠状面内完成。轨迹以平移方式实现，不伴随旋转。

每条运动轨迹之后均跟随一个重新定位序列，随后是15秒的暂停，以消除每次试验前运动可能带来的干扰，并确保前庭系统从稳定状态开始接受测试，从而提供对受试者感知运动的反馈。参与者通过操纵杆移动一个箭头，以指示其相对于起始位置的运动方向。起始位置以三种不同视角的虚拟形象呈现，箭头在每次试验前的调整阶段始终被随机放置。对参与者进行准确使用反馈系统的训练至关重要。

受试者应能够将箭头指向其周围环境中的物体，例如试验过程中放置于其膝上的操纵杆。操纵杆的运动被限制在轨迹平面内，受试者在采集数据时可使用任意一个或全部视角。每种实验条件重复三次，并以随机顺序呈现。

16名参与者的数据被进行了分析。一种极端离群值得分被剔除。模态和角度对估计的运动没有显著影响。然而，参与者在水平面上低估了运动角度的大小近九度，而在冠状面上高估了角度大小约五度。

角度因素与额状面因素存在显著的交互作用，表现为45度运动的高估程度大于90度运动。此外，感觉模式与角度之间也存在显著交互作用，仅由前庭信息引起的90度运动的低估程度显著大于视觉条件及联合条件。而对于45度运动，此类差异则不存在。

当仅提供前庭本体感觉反馈时，参与者的反应时间明显比视觉反馈和联合反馈条件下更慢。当在水平面内移动时，参与者的反应速度也明显慢于其他平面。这些结果令人十分意外，因为它们表明大脑对空间的表征在不同维度上并非对称分布。

我们早已知道，人们在水平面内运动时往往会低估自身的移动，而首次在此研究中发现，这种低估现象在垂直维度中并不存在。未来，我们将能够利用这些方法构建包含曲线路径的三维运动轨迹。这将使我们能够回答更多问题，例如大脑如何整合跨平面的运动信息，以及如何实现转弯时的导航。