MPI CyberMotion Simulator: Осуществление Роман симулятор движения по расследованию мультисенсорная путь интегрирования в трех измерениях

Общая цель следующего эксперимента заключается в измерении навигации по маршруту в трехмерном пространстве при контролируемом воздействии визуальных и вестибулярных сенсорных стимулов на участника. Это достигается с помощью модифицированного роботизированного кресла с шестью степенями свободы, которое стимулирует вестибулярную систему сидящего в нем человека. Участник наблюдает виртуальное звездное поле. Путем перемещения роботизированного кресла и одновременного изменения звездного поля система предоставляет участнику визуальные и вестибулярные ориентиры.

Участники предоставляют обратную связь по навигации по маршруту, исходя из точности и скорости, с которой они могут указать направление обратно к запомненному начальному положению. Результаты показывают, что неточная оценка собственного движения зависит от плоскости перемещения и угла, под которым перемещались испытуемые. Основным преимуществом данной методики перед существующими методами, такими как платформы движения, является то, что симулятор MPI Cyber Motion обладает большой рабочей зоной, позволяющей перемещать наблюдателей в различных измерениях, в частности, вниз.

Данный метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области нейробиологии, например, одинаково ли мозг представляет движение собственного тела в разных измерениях. Идея этих экспериментов возникла на основе исследования нашего коллеги Мануэля Видаля, в котором испытуемые перемещались по виртуальным лабиринтам исключительно с помощью визуальной стимуляции.

Здесь он обнаружил, что навигация по местности нарушается, когда MACES включают вертикальный компонент. Значение этой методики распространяется на диагностику пространственной дезориентации, поскольку она обеспечивает эталон для навигации по маршруту в здоровом мозге. Стимулятор движения NPI Cyber представляет собой шестизвенный последовательный робот в конфигурации 3, 2, 1.

Система основана на промышленном роботе с грузоподъемностью 500 кг, что обеспечивает безопасность проведения экспериментов. Внесены изменения как в аппаратное, так и в программное обеспечение, что позволяет создавать сложные профили движения, сочетающие боковые перемещения с вращениями, с помощью симулятора кибердвижения MPI.

Оси одна, четыре и шесть могут вращаться непрерывно; четыре пары аппаратных ограничителей ограничивают движение осей две, три и пять в обоих направлениях. Максимальный диапазон линейных перемещений сильно зависит от положения, из которого начинается движение. Перед проведением любых экспериментов каждая траектория экспериментального движения должна пройти этап тестирования.

Траектории программируются с помощью офисного ПК разработки KUKA для настройки симулятора кибер-движения MPI. В этой разомкнутой конфигурации траектории задаются в декартовых координатах и каждые 12 миллисекунд преобразуются в углы в пространстве сочленений с помощью обратной кинематики. Текущие значения углов сочленений передаются из системы управления в симулятор кибер-движения MPI через ethernet-соединение, где они считываются инкрементально и записываются на диск робота.

Сиденье гоночного автомобиля, оснащенное системой пятиточечных ремней безопасности, прикреплено к шасси, которое включает в себя подножку. Шасси закреплено на фланце манипулятора робота. Участники должны использовать шумоподавляющие наушники, оснащенные микрофоном для двусторонней связи с экспериментатором.

Они также не должны быть знакомы с экспериментальной установкой. Через наушники транслируется непрерывный шум, который маскирует шум робота. Эксперименты также можно проводить, разместив участников в закрытой кабине, при этом сам эксперимент выполняется в темноте.

Инфракрасные камеры позволяют осуществлять визуальный мониторинг из комнаты управления. Возможны различные конфигурации визуализации, включая ЖК-экран, стереопроекцию, монопроекцию или наголовной дисплей. В данном эксперименте визуальные стимулы собственного движения обеспечиваются ЖК-дисплеем, расположенным на расстоянии 50 сантиметров перед наблюдателями.

Программное обеспечение представляет участнику виртуальное пространство OID, заполненное 200 000 точками. Каждая точка в пространстве изображена в виде белого круга на черном фоне. На экране отображаются точки, соответствующие визуальным углам от 13 до 0,3 градуса.

Эти точки расположены на расстоянии 0,085 и 4 виртуальных единицы от участника. Движение в виртуальном поле синхронизировано с физическим движением с помощью траекторий движения, передаваемых с управляющего компьютера MPI, для создания параллакса между оптическим потоком и движением.

Точки, находящиеся глубже в поле зрения, отрисовываются меньшего размера независимо от движений участника. Каждая точка отображается в течение двух секунд асинхронно, после чего ей случайным образом назначается новое положение. Таким образом, каждую секунду перемещается в общей сложности сто тысяч точек.

Специально сконструированный джойстик, оснащенный кнопками отклика, позволяет участникам передавать данные по ethernet-соединению в систему управления. Сенсорную информацию можно варьировать, предоставляя только визуальные стимулы в виде ограниченного по времени звездного поля, только вестибулярно-кинестические стимулы при пассивном перемещении с закрытыми глазами участника или оба типа стимулов с открытыми глазами участника.

В данном эксперименте траектории движения состояли из двух сегментов разной длины. Первый сегмент составлял 0,4 метра, второй — один метр. Угол между любыми двумя сегментами движения составлял либо 45 градусов, либо 90 градусов.

Например, движение в горизонтальной плоскости состоит либо из перемещения вперед и вправо на 90 градусов, либо из перемещения вправо на 45 градусов, либо из перемещения вперед на 90 градусов, либо из перемещения вперед и вправо на 45 градусов. Аналогичные типы движений выполняются также в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Траектории реализуются как трансляции без вращения.

Каждой траектории предшествует последовательность репозиционирования, за которой следует 15-секундная пауза для минимизации возможных помех от движения перед каждым испытанием; чтобы убедиться, что тестирование вестибулярной системы проводится из состояния покоя, для предоставления обратной связи о воспринимаемом движении участники перемещают стрелку с помощью джойстика, указывая свое положение относительно начальной точки. Начальная точка представлена в виде аватара с трех точек зрения, а стрелка перед каждой корректировкой перед началом испытаний всегда располагается случайным образом. Крайне важно обучить участника точному использованию системы обратной связи.

Они должны иметь возможность наводить стрелку на объекты в своем окружении, например, на джойстик, лежащий у них на коленях во время испытания. Движение джойстика ограничено плоскостью траектории, и участники могут использовать любые или все ракурсы при сборе данных. Каждое экспериментальное условие повторяется трижды и предъявляется в случайном порядке.

Были проанализированы данные 16 участников. Экстремальные выбросы были исключены; модальность и угол не оказали значимого влияния на оценку движения. Однако участники недооценили величину угла движения в горизонтальной плоскости почти на девять градусов и переоценили величину угла во фронтальной плоскости примерно на пять градусов.

Было обнаружено, что фактор угла значительно взаимодействует с фактором фронтальной плоскости: завышение показателей было более выраженным при движениях на 45 градусов, чем при движениях на 90 градусов. Кроме того, было выявлено значимое взаимодействие модальности с углом: недооценка, основанная только на вестибулярной информации при движениях на 90 градусов, была значительно выше по сравнению с визуальными и комбинированными условиями. При движениях на 45 градусов подобные расхождения отсутствовали.

Было обнаружено, что время реакции было значительно выше, когда обратная связь предоставлялась только на основе вестибулярных кинестетических сигналов, по сравнению с визуальными и комбинированными условиями. Участники также демонстрировали значительно более медленную реакцию при перемещении в горизонтальной плоскости по сравнению с другими плоскостями. Эти результаты весьма неожиданны, так как они предполагают, что представление пространства в мозге не является симметричным по всем измерениям.

Уже некоторое время известно, что люди склонны недооценивать свои перемещения в горизонтальной плоскости; в данной работе мы впервые демонстрируем, что в вертикальном измерении эта тенденция отсутствует. В будущем эти методы позволят нам конструировать траектории во всех трех измерениях, включая изогнутые пути. Это позволит ответить на дополнительные вопросы, такие как способность мозга интегрировать движения в разных плоскостях, а также механизмы навигации при поворотах.