MPI CyberMotion Simulator: Implementierung eines neuartigen Motion Simulator zu Multisensorische Pfadintegration in drei Dimensionen erforschen

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die Navigation entlang eines Weges in drei Dimensionen zu messen, während gleichzeitig die visuelle und vestibuläre sensorische Zufuhr zum Probanden kontrolliert wird. Dies wird mithilfe eines modifizierten Roboterstuhls mit sechs Freiheitsgraden erreicht, der das vestibuläre System des auf dem Stuhl Sitzenden stimuliert. Der Proband betrachtet ein virtuelles Sternenfeld. Durch Bewegen des Roboterstuhls und gleichzeitige Veränderung des Sternenfeldes liefert das System dem Probanden visuelle und vestibuläre Hinweise.

Die Teilnehmer geben Rückmeldungen zur Pfadnavigation durch die Genauigkeit und Geschwindigkeit ab, mit der sie zur erinnerten Ausgangsposition zurückweisen können. Die Ergebnisse zeigen, dass eine ungenaue Einschätzung der Eigenbewegung von der Bewegungsebene und dem Winkel abhängt, um den sie bewegt werden. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Bewegungsplattformen besteht darin, dass der MPI Cyber Motion-Simulator über einen großen Arbeitsraum verfügt, der in der Lage ist, Beobachter in verschiedene Dimensionen zu bewegen, insbesondere nach unten.

Diese Methode kann zentrale Fragen auf dem Gebiet der Neurowissenschaften beantworten, beispielsweise, ob die Gehirnaktivität die Eigenbewegung in verschiedenen Dimensionen gleichmäßig darstellt. Die Idee zu diesen Experimenten entstammt einer Studie unseres Kollegen Manuel Vidal. Er bewegte Probanden durch virtuelle Gänge, wobei lediglich eine visuelle Darbietung erfolgte.

Hier fand er heraus, dass die Orientierung im Raum beeinträchtigt ist, wenn die MACES eine vertikale Komponente enthalten. Die Bedeutung dieser Technik reicht bis zur Diagnose räumlicher Desorientierung, da sie eine Referenzgröße für die Pfadnavigation im gesunden Gehirn liefert. Der NPI Cyber Motion Stimulator besteht aus einem seriellen Roboter mit sechs Gelenken in einer 3,2,1-Konfiguration.

Er basiert auf einem Industrieroboter mit einer Nutzlast von 500 Kilogramm, um das Experimentieren sicher zu gestalten. Sowohl an der Hardware als auch an der Software wurden Modifikationen vorgenommen, wodurch komplexe Bewegungsprofile möglich sind, die seitliche Bewegungen mit Rotationen kombinieren. Mit dem MPI Cyber Motion Simulator.

Achse eins, vier und sechs können sich kontinuierlich drehen; vier Paare aus Hardware und Anschlägen begrenzen Achse zwei, drei und fünf in beide Richtungen. Der maximale Bereich linearer Bewegungen hängt stark von der Position ab, von der aus die Bewegung beginnt. Vor der Durchführung jeglicher Experimente muss jede experimentelle Bewegungsbahn eine Testphase durchlaufen.

Die Trajektorien werden mithilfe eines von KUKA entwickelten Office-PCs zur Konfiguration des MPI Cyber Motion Simulators programmiert. In dieser offenen Regelungsstruktur werden die Trajektorien in kartesischen Koordinaten vorgegeben und alle 12 Millisekunden mittels inverser Kinematik in Gelenkwinkel umgerechnet. Die aktuellen Gelenkwinkelpositionen werden vom Steuersystem über eine Ethernet-Verbindung an den MPI Cyber Motion Simulator übermittelt, dort inkrementell ausgelesen und auf der Festplatte des Roboters aufgezeichnet.

Ein Rennwagensitz, der mit einem Fünfpunkt-Sicherheitsgurt-System ausgestattet ist, wird an einem Fahrgestell befestigt, das eine Fußstütze enthält. Das Fahrgestell ist an dem Flansch des Roboterarms montiert. Die Teilnehmer müssen geräuschunterdrückende Kopfhörer tragen, die mit einem Mikrofon für die bidirektionale Kommunikation mit dem Versuchsleiter ausgestattet sind.

Sie sollten außerdem unerfahren im Umgang mit dem experimentellen Aufbau sein. Durchgehender Lärm wird über die Kopfhörer abgespielt, der das Geräusch des Roboters überdeckt. Experimente sind ebenfalls möglich, indem die Teilnehmer in einer geschlossenen Kabine platziert werden, da das Experiment im Dunkeln durchgeführt wird.

Infrarotkameras ermöglichen die visuelle Überwachung vom Kontrollraum aus. Es sind mehrere Visualisierungskonfigurationen möglich, darunter ein LCD-Bildschirm, eine stereoskopische Frontprojektion, eine monoskopische Frontprojektion oder eine am Kopf getragene Anzeigevorrichtung. In diesem Experiment werden visuelle Hinweise auf Eigenbewegung durch einen LCD-Bildschirm bereitgestellt, der 50 Zentimeter vor den Beobachtern platziert ist, um visuelle Reize zu liefern.

Die Software präsentiert dem Teilnehmer einen virtuellen OID-Raum, der mit 200.000 Punkten gefüllt ist. Jeder Punkt im Raum wird als weißer Kreis auf schwarzem Hintergrund dargestellt. Auf dem Bildschirm werden Punkte angezeigt, die visuellen Winkeln von 13 bis 0,3 Grad entsprechen.

Diese Punkte befinden sich in einem Abstand von 0,085 und vier virtuellen Einheiten vom Teilnehmer. Die Bewegung des virtuellen Feldes wird über Bewegungsbahnen vom Steuerrechner des MPI mit der physikalischen Bewegung synchronisiert, um eine Parallaxe zwischen optischem Fluss und Bewegung zu erzeugen.

Die Punkte weiter hinten im Sichtfeld werden unabhängig von den Bewegungen des Teilnehmers kleiner dargestellt. Jeder wird zwei Sekunden lang asynchron angezeigt, bevor er zufällig neu zugewiesen wird. Dadurch bewegen sich insgesamt hunderttausend Punkte pro Sekunde.

Ein speziell angefertigter Joystick, der mit Antwortknöpfen ausgestattet ist, ermöglicht es den Teilnehmern, Daten über eine Ethernet-Verbindung an das Steuersystem zu übertragen. Sensorische Informationen können manipuliert werden, indem ausschließlich visuelle Hinweise aus dem begrenzten Sternfeld mit begrenzter Lebensdauer bereitgestellt werden. Nur vestibuläre kinästhetische Hinweise aus der passiven Eigenbewegung mit geschlossenen Augen des Teilnehmers oder beide Hinweise bei geöffneten Augen des Teilnehmers.

In diesem Experiment bestanden die Bewegungsbahnen aus zwei Segmentlängen. Die erste beträgt 0,4 Meter und die zweite ein Meter. Der Winkel zwischen zwei Bewegungssegmenten wird entweder als 45 Grad oder 90 Grad übermittelt.

Zum Beispiel setzt sich die Bewegung in der Horizontalebene entweder aus einer Vorwärts-Rechts-Bewegung um 90 Grad nach vorne, einer Rechts-Bewegung um 45 Grad nach rechts, einer Vorwärts-Bewegung um 90 Grad oder einer Rechts-Vorwärts-Bewegung um 45 Grad zusammen. Diese Bewegungsarten werden ebenfalls in der Sagittalebene und der Frontalebene ausgeführt. Die Trajektorien werden als Translationen ohne Rotation übertragen.

Jeder Trajektorie folgt eine Neupositionierungssequenz, gefolgt von einer 15 Sekunden dauernden Pause, um mögliche Störungen durch vorangegangene Bewegungen vor jedem Versuch zu minimieren und sicherzustellen, dass das vestibuläre System aus einem Ruhezustand heraus getestet wird. Um Rückmeldung über ihre wahrgenommene Bewegung zu geben, bewegen die Teilnehmer einen Pfeil mit einem Joystick, um ihre Bewegung relativ zu ihrem Ausgangspunkt anzugeben. Der Ausgangspunkt wird als Avatar aus drei Blickwinkeln dargestellt, und der Pfeil wird vor jeder Anpassung vor den Versuchen stets zufällig positioniert. Es ist entscheidend, den Teilnehmer darin zu schulen, das Feedback-System genau zu nutzen.

Sie sollten den Pfeil auf Objekte in ihrer Umgebung richten können, beispielsweise auf den Joystick, der während des Versuchs auf ihrem Schoß ruht. Die Bewegung des Joysticks ist auf die Trajektoriebene beschränkt, und die Teilnehmer können beim Erfassen der Daten beliebige oder alle Blickwinkel nutzen. Jede Versuchsbedingung wird dreimal wiederholt und in zufälliger Reihenfolge präsentiert.

Daten von 16 Teilnehmern wurden analysiert. Extreme Ausreißerwerte wurden entfernt; Modalität und Winkel hatten keinen signifikanten Einfluss auf die geschätzte Bewegung. Die Teilnehmer unterschätzten jedoch die Bewegungswinkelgröße in der horizontalen Ebene um fast neun Grad und überschätzten die Winkelgröße in der frontalen Ebene um etwa fünf Grad.

Der Winkelfaktor zeigte eine signifikante Wechselwirkung mit dem Faktor der Frontalebene, wobei Überschätzungen bei Bewegungen über 45 Grad stärker ausgeprägt waren als bei Bewegungen über 90 Grad. Zusätzlich zeigte sich eine signifikante Wechselwirkung zwischen Modalität und Winkel, sodass Unterschätzungen allein aufgrund vestibulärer Informationen bei Bewegungen über 90 Grad signifikant größer waren als unter visuellen und kombinierten Bedingungen. Solche Diskrepanzen traten bei Bewegungen über 45 Grad nicht auf.

Die Reaktionszeit erwies sich als signifikant langsamer, wenn Rückmeldungen allein auf vestibulären kinästhetischen Hinweisen basierten, im Vergleich zu visuellen und kombinierten Bedingungen. Die Teilnehmer reagierten auch signifikant langsamer, wenn sie in der horizontalen Ebene bewegt wurden, verglichen mit anderen Ebenen. Diese Ergebnisse sind äußerst überraschend, da sie darauf hindeuten, dass die räumliche Repräsentation im Gehirn nicht symmetrisch über die Dimensionen hinweg ist.

Wir wissen bereits seit einiger Zeit, dass Menschen ihre Bewegungen in der horizontalen Ebene tendenziell unterschätzen. Hier zeigen wir erstmals, dass dies in der vertikalen Dimension nicht der Fall ist. In Zukunft werden wir in der Lage sein, mithilfe dieser Methoden Bewegungspfade in allen drei Dimensionen zu konstruieren, einschließlich gekrümmter Trajektorien. Dies wird es uns ermöglichen, weitere Fragen zu beantworten, beispielsweise wie das Gehirn Bewegungen über verschiedene Ebenen hinweg integrieren kann und wie es Kurvenbewegungen navigiert.