MPI Simulator CyberMotion: יישום Simulator תנועה חדשנית לחקר האינטגרציה נתיב רב חושיים בשלושה ממדים
10 במאי 2012
הדרך היעילה להשגת תובנות לגבי האופן שבו בני אדם לנווט את עצמם בשלושה ממדים מתואר. השיטה מנצלת את סימולטור תנועה מסוגל לנוע משקיפים בדרכים בלתי ניתנות להשגה על ידי סימולטורים מסורתיים. תוצאות מאשרים כי התנועה במישור האופקי זוכים להערכה, ואילו תנועה אנכית זכה להערכה מופרזת.
המטרה הכללית של הניסוי הבא היא למדוד ניווט במסלול בתלת-ממד תוך בקרה על הקלט החושי הוויזואלי והווסטיבולרי של המשתתף. הדבר מושג באמצעות כיסא רובוטי משופר בעל שש דרגות חופש המעורר את המערכת הווסטיבולרית של המשתתף היושב בכיסא. המשתתף צופה בשדה כוכבים וירטואלי; על ידי הזזת הכיסא הרובוטי ושינוי סימולטני של שדה הכוכבים, המערכת מספקת למשתתף רמזים ויזואליים וווסטיבולריים.
המשתתפים מספקים משוב על ניווט במסלול על ידי הדיוק והמהירות שבהם הם יכולים להצביע חזרה על נקודת ההתחלה הזכורה. התוצאות מראות כי הערכה לא מדויקת של תנועת העצמי תלויה במישור התנועה ובזווית שבה הם הונעו. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון פלטפורמות תנועה, הוא שלסימולטור ה-MPI Cyber Motion יש מרחב עבודה גדול המסוגל להניע צופים בממדים שונים, ובמיוחד כלפי מטה.
שיטה זו יכולה לספק תשובות לשאלות מפתח בתחום מדעי המוח, כגון השאלה האם המוח מייצג באופן שווה תנועה עצמית בממדים שונים. הרעיון לניסויים אלו עלה לנו ממחקרו של עמיתנו Manuel Vidal, אשר הניע אנשים דרך מבוכים וירטואליים באמצעות הצגה חזותית בלבד.
כאן הוא מצא כי הניווט במרחב נפגע כאשר ה-MACES כוללים רכיב אנכי. ההשלכות של טכניקה זו נשתרות אל עבר אבחון של דיסאורינטציה מרחבית, מכיוון שהן מספקות נקודת ייחוס לניווט במסלול במוח תקין. סימולטור התנועה NPI Cyber מורכב מרובוט סדרתי בעל שישה מפרקים בתצורת 3, 2, 1.
המערכת מבוססת על רובוט תעשייתי בעל כושר נשיאה של 500 kilogram כדי להפוך את הרובוט לבטוח לניסויים. בוצעו שינויים הן בחומרה והן בתוכנה, המאפשרים הגדרות תנועה מורכבות המשלבות תנועות לצדדים יחד עם סיבובים, באמצעות סימולטור התנועה MPI cyber.
צירים אחד, ארבעה ושש יכולים להסתובב באופן רציף; ארבעה זוגות של רכיבי חומרה ומעצורי קצה מגבילים את צירים שתיים, שלוש וחמש בשני הכיוונים. הטווח המקסימלי של תנועות ליניאריות תלוי במידה רבה במיקום ממנו מתחילה התנועה. לפני ביצוע ניסויים כלשהם, כל מסלול תנועה ניסויי חייב לעבור שלב בדיקה.
המסלולים מתוכננים באמצעות מחשב משרדי שתוכנן על ידי KUKA להגדרת סימולטור תנועת הסייבר של ה-MPI. בתצורת לולאה פתוחה זו, המסלולים מוזנים בקואורדינטות קרטזיות ומומרים לזוויות של מרחב המפרקים באמצעות קינמטיקה הפוכה בכל 12 מילישניות. מיקומי זוויות המפרקים הנוכחיים מועברים ממערכת הבקרה לסימולטור תנועת הסייבר של ה-MPI באמצעות חיבור אתרנט, שם הם נקראים באופן מדורג ונרשמים לדיסק ברובוט.
מושב רכב מרוץ המצויד במערכת חגורת בטיחות בעלת חמש נקודות מעגון מחובר לשילדה, הכוללת משענת לרגל. השילדה מורכבת על פלנג' (flange) של זרוע הרובוט. על המשתתפים להרכיב אוזניות מסננות רעשים, המצוידות במיקרופון לתקשורת דו-כיוונית עם הנסיין.
עליהם להיות גם תמימים לגבי מערך הניסוי. רעש רציף מושמע דרך האוזניות, אשר ממסך את רעש הרובוט. ניסויים אפשריים גם על ידי השבת המשתתפים בתוך תא סגור, כאשר הניסוי מבוצע בחשיכה.
מצלמות אינפרא-אדום מאפשרות ניטור חזותי מחדר הבקרה. ניתן להשתמש בתצורות ויזואליזציה מגוונות, כולל מסך LCD, הקרנה קדמית סטריאופונית, הקרנה קדמית מונופונית או תצוגה המורכבת על הראש. בניסוי זה, רמזים חזותיים לתנועה עצמית מסופקים באמצעות תצוגת LCD, הממוקמת 50 סנטימטרים לפני הצופים כדי להעביר רמזים חזותיים.
התוכנה מציגה למשתתף מרחב OID וירטואלי הממולא ב-200,000 נקודות. כל נקודה במרחב מצוירת כעיגול לבן על רקע שחור. המסך מציג נקודות התואמות לזוויות ראייה של 13 עד 0.3 מעלות.
נקודות אלו נמצאות במרחק של 0.085 ו-4 יחידות וירטואליות מהמשתתף. תנועת השדה הווירטואלי מסונכרנת עם תנועה פיזית באמצעות מסלולי תנועה ממחשב הבקרה של ה-MPI כדי ליצור פאראלקסה בין זרימה אופטית לתנועה.
הנקודות שנמצאות עמוק יותר בשדה הראייה מצוירות כקטנות יותר, ללא קשר לתנועות המשתתף. כל נקודה מוצגת למשך שתי שניות באופן אסינכרוני לפני שהיא משובצת מחדש באופן אקראי. לפיכך, סך של מאה אלף נקודות נעות בכל שנייה.
ג'ויסטיק שנבנה בהתאמה אישית ומצויד בכפתורי תגובה מאפשר למשתתפים להעביר נתונים באמצעות חיבור ethernet למערכת הבקרה. ניתן להפעיל מניפולציה על המידע החושי על ידי מתן רמזים חזותיים בלבד משדה כוכבים המדמה זמן חיים מוגבל; רמזים וסטיבולריים-קינסטטיים בלבד מהתנועה הפסיבית של הגוף כאשר עיני המשתתף סגורות; או את שני סוגי הרמזים כאשר עיני המשתתף פתוחות.
בניסוי זה, מסלולי התנועה consisted של שני אורכי מקטעים. הראשון הוא 0.4 meters, והשני הוא one meter. הזווית בין כל שני מקטעי תנועה מועברת כ-45 degrees או 90 degrees.
לדוגמה, תנועה במישור ההוריזונטלי מורכבת או מתנועה קדימה וימינה ב-90 מעלות, תנועה ימינה ב-45 מעלות, תנועה קדימה ב-90 מעלות או תנועה ימינה וקדימה ב-45 מעלות. סוגים אלה של תנועות מבוצעים גם במישורי הסגיטלי והפרונטלי. מסלולי התנועה מיושמים כהזזות ללא סיבוב.
לאחר כל מסלול מתבצעת רצף מיקום מחדש, ולאחריו הפסקה של 15 שניות כדי להפחית הפרעות אפשריות מתנועה לפני כל ניסוי, וכדי להבטיח שמערכת הווסטיבולרית נבדקת ממצב יציב. כדי לספק משוב על התנועה שהם תופסים, המשתתפים מזיזים חץ באמצעות ג'ויסטיק כדי לציין את תנועתם ביחס לנקודת המוצא שלהם. נקודת המוצא מוצגת כאוואטאר משלוש נקודות מבט, והחץ ממוקם תמיד באופן אקראי לפני הכיוונון וטרם תחילת הניסויים. חיוני לאמן את המשתתף להשתמש במערכת המשוב באופן מדויק.
הם צריכים להיות מסוגלים להפנות את החץ לעבר אובייקטים בסביבתם, כגון הג'ויסטיק המונח על חיקם במהלך הניסוי. תנועת הג'ויסטיק מוגבלת למישור המסלול, והמשתתפים יכולים להשתמש בכל אחת מנקודות התצפית או בכולן בעת איסוף הנתונים. כל תנאי ניסויי חוזר שלוש פעמים ומוצג בסדר אקראי.
נתונים מ-16 המשתתפים נותחו. נתוני קיצון חריגים הוצאו מהניתוח; למודליות ולזווית לא הייתה השפעה מובהקת על התנועה המוערכת. עם זאת, המשתתפים העריכו בחסר את גודל זווית התנועה במישור ההוריזונטלי בכמעט תשע מעלות, והעריכו ביתר את גודל הזווית במישור הפרונטלי בכשבע מעלות.
נמצא כי גורם הזווית השפיע באופן מובהק עם גורם המישור הפרונטלי, כך שהערכות-יתר היו גדולות יותר עבור תנועות של 45 מעלות מאשר עבור תנועות של 90 מעלות. בנוסף, נמצא כי המודליות השפיעה באופן מובהק עם הזווית, כך שהערכות-חסר המבוססות על מידע וסטיבולרי בלבד עבור תנועות של 90 מעלות היו גדולות באופן מובהק בהשוואה לתנאים הוויזואליים והמשולבים. פערים כאלו לא נצפו בתנועות של 45 מעלות.
נמצא כי זמן התגובה היה איטי באופן מובהק כאשר המשוב ניתן על בסיס רמזים קינסטטיים וסטיבולריים בלבד, בהשוואה לתנאים חזותיים ומאוחדים. המשתתפים היו גם איטיים באופן מובהק כאשר הונעו במישור האופקי בהשוואה למישורים אחרים. תוצאות אלו מפתיעות מאוד שכן הן מרמזות על כך שהייצוג של המרחב במוח אינו סימטרי בין הממדים השונים.
ידוע כבר זמן מה שבני אדם נוטים להמעיט בערכו של התנועה שלהם במישור האופקי; כאן, בפעם הראשונה, אנו מראים כי אין זה המצב במימד האנכי. בעתיד, נוכל להשתמש בשיטות אלו כדי לבנות נתיבים בכל שלושת הממדים, כולל נתיבים מעוקלים. הדבר יאפשר לנו לענות על שאלות נוספות, כגון כיצד המוח מסוגל לשלב תנועה בין מישורים שונים, וכן כיצד הוא מנווט בפניות.
סקירה כללית
מחקר זה בוחן כיצד בני אדם מנווטים במרחב תלת-ממדי באמצעות סימולטור תנועה חדשני. הממצאים מגלים כי תנועה אופקית own לרוב מוערכת בחסר, בעוד שתנועה אנכית מוערכת יתר על המידה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- פסיכולוגיה התנהגותית
- סימולציית תנועה
רקע
- הבנת תפיסת התנועה העצמית היא קריטית במדעי המוח.
- לסימולטורים מסורתיים יש מגבלות בייצוג התנועה.
- המחקר מתבסס על מחקרים קודמים של Manuel Vidal.
- דיסוריאנטציה מרחבית עלולה להשפיע על יכולות הניווט.
מטרת המחקר
- למדידת ניווט במסלול בתלת-ממד.
- לבקרת קלט חושי חזותי ווסטבולרי במהלך משימות ניווט.
- להערכת הדיוק של אומדן תנועה עצמית במישורים שונים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש בכיסא רובוטי משופר בעל שש דרגות חופש.
- המשתתפים מנווטים בשדה כוכבים וירטואלי בזמן שהם יושבים בכיסא.
- משוב על ניווט הנתיב נאסף באמצעות קלט של ג'ויסטיק.
- רמזים חזותיים ווסטבולריים מותאמים במהלך הניסויים.
תוצאות עיקריות
- המשתתפים הראו דיוק משתנה בהערכת תנועה עצמית בהתבסס על מישור התנועה.
- תנועות אנכיות הוערכו באופן עקבי כגדולות יותר בהשוואה לתנועות אופקיות.
- סימולטור ה-MPI Cyber Motion אפשר פרופילי תנועה מורכבים.
- התוצאות מספקות תובנות לאבחון של דה-אוריינטציה מרחבית.
מסקנות
- המחקר מציע שיטה חדשה לבחינת תפיסת תנועה עצמית.
- לממצאים יש השלכות על הבנת הניווט במוח.
- טכניקה זו יכולה לשמש כנקודת ייחוס למחקרים עתידיים באוריינטציה מרחבית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הערכה כמותית של אינטגרציית נתיבים רב-חושיתית בשלושה ממדים נותנת מענה לפער קריטי במחקר ופיתוח של נוירוטכנולוגיה ומדעי המוח התרגומיים. סימולטור ה-MPI CyberMotion מאפשר בידוד מבוקר של רמזים ויזואליים ווסטבולריים, ובכך תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית ובביטחון חיזוי במודלים של ניווט מרחבי אנושי. יכולת זו מספקת מידע לאישור יעדים בשלבים מוקדמים ולהצבת מדדי ייחוס עבור פורטפוליו של מחקרים נוירו-קוגניטיביים וסנסורי-מוטוריים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה מדויקת של מנגנוני אינטגרציה תחושתית העומדים בבסיס ניווט מרחבי.
- תומך בתיקוף תפקודי של יעדים עבור מסלולים עצביים המעורבים בעיבוד רב-חושי.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי בידוד התרומות הוויזואליות והווסטיבולריות לאינטגרציה של מסלול.
- מספק נקודות סיום כמותיות לגילויים במדעי המוח המונחים על ידי היפותזות.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- מספק תוצאות התנהגותיות מאומתות וניתנות לשחזור עבור בדיקות של אינטגרציה תחושתית-מוטורית.
- מנstandardize את מדידת דיוק הניווט וזמן השהייה בתגובה בין מודאליות תחושתיות שונות.
- מכין מערכות ניסוייות חסונות עבור סריקת תרכובות או מכשירים בשלבים הבאים.
- מאפשר השוואה ניתנת להרחבה, בין תנאים שונים, של השפעות מניפולציות תחושתיות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה פלטים ניסיוניים לסממנים ביולוגיים תרגומיים של דה-אוריינטציה מרחבית.
- תומכת ברציפות מגילוי מנגנוני ועד לתיקוף מודלים פרה-קליניים במחקר נוירו-קוגניטיבי.
- מנחה קידום מותאם סיכונים של התערבויות מועמדות המכוונות לליקויים באינטגרציה חושית.
- מספקת מדד השוואה לאינטגרציה של נתיבים תקינה לעומת לקויה, הרלוונטי למודלים של מחלות.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
הסימולטור משתלב ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות להערכה כמותית ומבוקרת של ניווט מרחבי אנושי תחת תנאים תחושתיים מוגדרים.
- ביולוגיה של התגליות: תומך בבדיקת השערות על קידוד עצבי של תנועה עצמית ואסימטריה ממדית.
- סריקה: מספק נקודות קצה התנהגותיות כמותיות וניתנות לשחזור עבור בדיקות של אינטגרציה חושית.
- אנליטיקה: מייצר נתונים השוואתיים על דיוק בניווט, הערכת זווית וזמן תגובה על פני מודאליות ומישורים שונים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין ממצאים מנגנוניים למודלים פרה-קליניים של דה-אוריאנטציה מרחבית ותפקוד סנסורי-מוטורי לקוי.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה הניתנת לשימוש חוזר למחקרי אינטגרציה רב-חושית בתוכניות מו"פ של נוירוטכנולוגיה והתנהגות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי במודלים עצביים של ניווט מרחבי ואינטגרציה חושית.
- ערך תפעולי: מספק תהליכי עבודה ניסיוניים סטנדרטיים, ניתנים להרחבה וניתנים לשחזור.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת של המשך או הפסקה (go/no-go) עבור פורטפוליים של מטרות נוירו-קוגניטיביות ופיתוח מכשירים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם-סיכון של תוכניות לאינטגרציה חושית וקוגניציה מרחבית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי המוח, רובוטיקה ותכנון בדיקות התנהגותיות.
- מחייב גישה לחומרה מתקדמת לסימולציית תנועה ומערכות תצוגה ויזואליות מסונכרנות.
- מצריך סטנדרטיזציה קפדאית בין הצוותים של תכנות מסלולים ופרוטוקולי איסוף נתונים.
- התאמה למערכות מודל אחרות עשויה לדרוש התאמה אישית של החומרה והתוכנה.
- יש להתייחס למגבלות מרחב העבודה הפיזי ובטיחות המשתתפים לצורך החרגת הניסוי.
