Symulator CyberMotion MPI: Implementacja nowatorskiego symulatora ruchu do badania wielozmysłowej integracji ścieżki w trzech wymiarach

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest pomiar nawigacji przestrzennej w trzech wymiarach przy jednoczesnej kontroli wizualnych i przedsionkowych bodźców sensorycznych dostarczanych uczestnikowi. Zostaje to osiągnięte przy użyciu zmodyfikowanego krzesła robotycznego o sześciu stopniach swobody, które stymuluje układ przedsionkowy osoby siedzącej na krześle. Uczestnik obserwuje wirtualne pole gwiazd. Poprzez ruch krzesła robotycznego i jednoczesną zmianę pola gwiazd, system dostarcza uczestnikowi wskazówek wizualnych i przedsionkowych.

Uczestnicy przekazują informacje zwrotne dotyczące nawigacji po ścieżce poprzez dokładność i szybkość, z jaką potrafią wskazać zapamiętaną pozycję początkową. Wyniki pokazują, że niedokładna ocena ruchu własnego zależy od płaszczyzny ruchu oraz kąta, pod którym są przemieszczani. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak platformy ruchome, jest fakt, że symulator MPI Cyber Motion posiada duży obszar roboczy, umożliwiający przemieszczanie obserwatorów w różnych wymiarach, w szczególności w dół.

Metoda ta może przynieść odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny neuronauki, takie jak to, czy mózg w równy sposób reprezentuje ruch własny w różnych wymiarach. Pomysł na te eksperymenty pojawił się po zapoznaniu się z badaniami naszego kolegi, Manuela Vidala, który przemieszczał osoby przez wirtualne labirynty, wykorzystując wyłącznie prezentację wizualną.

Wykazał on, że nawigacja przestrzenna jest zaburzona, gdy MACES obejmują komponent pionowy. Implikacje tej techniki rozciągają się na diagnostykę dezorientacji przestrzennej, ponieważ dostarczają one punktu odniesienia dla nawigacji ścieżkowej w zdrowym mózgu. Stymulator ruchu NPI Cyber składa się z sześcio przegubowego robota szeregowego w konfiguracji 3, 2, 1.

System opiera się na robocie przemysłowym o udźwigu 500 kilogramów, co zapewnia bezpieczeństwo podczas przeprowadzania eksperymentów. Wprowadzono modyfikacje zarówno w sprzęcie, jak i w oprogramowaniu, co umożliwia tworzenie złożonych profili ruchu łączących przemieszczenia boczne z rotacjami. Wykorzystano do tego symulator ruchu cybernetycznego MPI.

Osie pierwsza, czwarta i szósta mogą obracać się w sposób ciągły; cztery pary ograniczników sprzętowych ograniczają ruch osi drugiej, trzeciej i piątej w obu kierunkach. Maksymalny zakres ruchów liniowych jest silnie zależny od pozycji, z której rozpoczyna się ruch. Przed przeprowadzeniem jakichkolwiek eksperymentów każda trajektoria ruchu doświadczalnego musi przejść fazę testową.

Trajektorie są programowane przy użyciu komputera biurowego marki KUKA w celu skonfigurowania symulatora ruchu cyber motion MPI. W tej konfiguracji pętli otwartej trajektorie są wprowadzane w współrzędnych kartezjańskich i konwertowane na kąty w przestrzeni przegubowej za pomocą kinematyki odwrotnej w odstępach 12 milisekund. Aktualne pozycje kątowe przegubów są przesyłane z systemu sterowania do symulatora ruchu cyber motion MPI poprzez połączenie ethernet, gdzie są one odczytywane przyrostowo i zapisywane na dysku robota.

Siedzisko wyścigowe wyposażone w pięciopunktowy system pasów bezpieczeństwa jest przymocowane do podwozia z podnóżkiem. Podwozie jest zamontowane do kołnierza ramienia robota. Uczestnicy muszą nosić słuchawki z redukcją szumów, wyposażone w mikrofon do dwustronnej komunikacji z eksperymentatorem.

Powinni oni również nie być zaznajomieni z układem eksperymentalnym. Przez słuchawki emitowany jest ciągły szum, który maskuje hałas generowany przez robota. Eksperymenty można również przeprowadzać, umieszczając uczestników w zamkniętej kabinie, w warunkach całkowitej ciemności.

Kamery podczerwieni umożliwiają wizualne monitorowanie z pokoju sterowania. Możliwe są różne konfiguracje wizualizacji, w tym ekran LCD, stereo projekcja przednia, mono projekcja przednia lub wyświetlacz montowany na głowie. W tym eksperymencie wizualne wskazówki dotyczące ruchu własnego są dostarczane przez wyświetlacz LCD, umieszczony 50 centymetrów przed obserwatorami.

Oprogramowanie przedstawia uczestnikowi wirtualną przestrzeń OID wypełnioną 200 000 kropkami. Każda z nich w przestrzeni jest rysowana jako białe koło na czarnym tle. Ekran wyświetla kropki odpowiadające kątom widzenia od 13 do 0,3 stopnia.

Kropki te znajdują się w odległości 0,085 oraz czterech jednostek wirtualnych od uczestnika. Ruch w polu wirtualnym jest zsynchronizowany z ruchem fizycznym za pomocą trajektorii ruchu przesyłanych z komputera sterującego MPI, aby stworzyć paralaksę między przepływem optycznym a ruchem.

Kropki znajdujące się głębiej w polu widzenia są rysowane w mniejszym rozmiarze, niezależnie od ruchów uczestnika. Każda z nich jest wyświetlana przez dwie sekundy asynchronicznie, zanim zostanie przypisana losowo. W ten sposób w każdej sekundzie przemieszcza się łącznie sto tysięcy kropek.

Specjalnie skonstruowany joystick wyposażony w przyciski odpowiedzi umożliwia uczestnikom przesyłanie danych przez połączenie ethernetowe do systemu sterowania. Informacje sensoryczne mogą być manipulowane poprzez dostarczanie wyłącznie wskazówek wizualnych z ograniczonego pola gwiazd, wyłącznie wskazówek kinestetyczno-westybularnych podczas pasywnego ruchu z zamkniętymi oczami uczestnika lub obu rodzajów wskazówek przy otwartych oczach uczestnika.

W tym doświadczeniu trajektorie ruchu składały się z dwóch odcinków o różnej długości. Pierwszy z nich wynosił 0,4 metra, a drugi jeden metr. Kąt między dwoma dowolnymi odcinkami ruchu wynosił 45 stopni lub 90 stopni.

Na przykład ruch w płaszczyźnie poziomej składa się z ruchu w przód i w prawo o 90 stopni, ruchu w prawo o 45 stopni, ruchu w przód o 90 stopni lub ruchu w prawo i w przód o 45 stopni. Tego rodzaju ruchy są wykonywane również w płaszczyznach strzałkowej i czołowej. Trajektorie są realizowane jako translacje bez rotacji.

Każdej trajektorii towarzyszy sekwencja repozycjonowania, po której następuje 15-sekundowa przerwa w celu zredukowania ewentualnych zakłóceń wywołanych ruchem przed każdą próbą. Aby zapewnić, że układ przedsionkowy jest badany ze stanu spoczynku w celu uzyskania informacji zwrotnej o odczuwanym ruchu, uczestnicy przesuwają strzałkę za pomocą joysticka, aby wskazać swój ruch względem punktu wyjścia. Punkt wyjścia jest przedstawiony jako awatar z trzech punktów widzenia, a strzałka przed każdą próbą jest zawsze rozmieszczana w sposób losowy przed dokonaniem korekty. Kluczowe jest przeszkolenie uczestnika w celu dokładnego korzystania z systemu informacji zwrotnej.

Powinni być oni w stanie skierować strzałkę na obiekty w swoim otoczeniu, takie jak joystick spoczywający na ich kolanach podczas próby. Ruch joysticka jest ograniczony do płaszczyzny trajektorii, a uczestnicy mogą korzystać z dowolnych lub wszystkich punktów widzenia podczas zbierania danych. Każdy warunek eksperymentalny jest powtarzany trzykrotnie i prezentowany w losowej kolejności.

Przeanalizowano dane od 16 uczestników. Odrzucono wyniki będące ekstremalnymi wartościami odstającymi. Modalność oraz kąt nie miały istotnego wpływu na szacowany ruch. Jednakże uczestnicy niedoszacowali wielkości kąta ruchu w płaszczyźnie poziomej o prawie dziewięć stopni i przeszacowali wielkość kąta w płaszczyźnie czołowej o około pięć stopni.

Stwierdzono, że czynnik kąta znacząco oddziałuje z czynnikiem płaszczyzny czołowej w taki sposób, że przeszacowania były większe dla ruchów o 45 stopni niż dla ruchów o 90 stopni. Ponadto stwierdzono, że modalność znacząco oddziałuje z kątem w taki sposób, że niedoszacowania wynikające z samych informacji przedsionkowych dla ruchów o 90 stopni były znacząco większe w porównaniu z warunkami wizualnymi i łączonymi. Takie rozbieżności nie występowały w przypadku ruchów o 45 stopni.

Stwierdzono, że czas reakcji był znacząco dłuższy w przypadku, gdy informacja zwrotna była dostarczana wyłącznie za pomocą wskazówek kinestetycznych przedsionkowych, w porównaniu z warunkami wizualnymi i łączonymi. Uczestnicy reagowali również znacząco wolniej podczas przemieszczania w płaszczyźnie poziomej w porównaniu z innymi płaszczyznami. Wyniki te są zaskakujące, ponieważ sugerują, że reprezentacja przestrzeni w mózgu nie jest symetryczna w różnych wymiarach.

Od pewnego czasu wiadomo, że ludzie mają tendencję do niedoszacowywania swojego ruchu w płaszczyźnie poziomej; tutaj po raz pierwszy wykazujemy, że nie ma to miejsca w wymiarze pionowym. W przyszłości będziemy mogli wykorzystać te metody do konstruowania ścieżek we wszystkich trzech wymiarach, w tym tych zakrzywionych. Pozwoli nam to odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak to, w jaki sposób mózg integruje ruch w różnych płaszczyznach oraz jak nawiguje podczas zakrętów.