MPI CyberMotion Simulator: Üç boyutlu çoklu duyumsal Yolu Entegrasyon araştırmak için bir Roman Hareket Simülatörü Uygulaması

Aşağıdaki deneyin genel amacı, katılımcıya gelen görsel ve vestibüler duyusal girdileri kontrol ederken üç boyutlu yol navigasyonunu ölçmektir. Bu, koltukta oturan kişide vestibüler sistemi uyaran, altı serbestlik derecesine sahip modifiye edilmiş robotik bir koltuk kullanılarak gerçekleştirilir. Katılımcı sanal bir yıldız alanı izler; robotik koltuğu hareket ettirerek ve aynı zamanda yıldız alanını değiştirerek sistem, katılımcıya görsel ve vestibüler ipuçları sağlar.

Katılımcılar, hatırlanan başlangıç konumuna geri yönelme doğrulukları ve hızleri ile yol navigasyon geri bildirimi sağlarlar. Sonuçlar, öz hareketin hatalı tahmin edilmesinin, hareket düzlemine ve hareket ettirildikleri açıya bağlı olduğunu göstermektedir. Bu tekniğin hareket platformları gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, MPI Cyber Motion simülatörünün, gözlemcileri farklı boyutlarda, özellikle de aşağıya doğru hareket ettirebilen geniş bir çalışma alanına sahip olmasıdır.

Bu yöntem, beynin farklı boyutlardaki öz hareketi eşit şekilde temsil edip etmediği gibi nörobilim alanındaki temel sorulara yanıt verebilir. Bu deneylerin fikrini, meslektaşımız Manuel Vidal'in çalışmasından aldık. Vidal, kişileri yalnızca görsel sunum kullanarak sanal labirentlerde hareket ettirmiştir.

Burada, MACES dikey bir bileşen içerdiğinde tıbbi navigasyonun bozulduğu tespit edilmiştir. Bu tekniğin sonuçları, normal beyinde yol navigasyonu için bir referans noktası sağladıkları için mekansal disorientation tanısına kadar uzanmaktadır. NPI Cyber hareket stimülatörü, 3, 2, 1 konfigürasyonunda altı eklemli seri bir robottan oluşur.

Deneylerin güvenli bir şekilde yürütülmesini sağlamak amacıyla, 500 kilogram taşıma kapasitesine sahip endüstriyel bir robot temel alınmıştır. Hem donanım hem de yazılım üzerinde modifikasyonlar yapılmıştır; böylece MPI cyber motion simülatörü ile yan hareketlerin rotasyonlarla birleştirildiği karmaşık hareket profilleri oluşturulabilmektedir.

Bir, dört ve altı numaralı eksenler sürekli dönebilir; dört çift donanım ve durdurucu ise iki, üç ve beş numaralı eksenlerin her iki yöndeki hareketini sınırlar. Doğrusal hareketlerin maksimum menzili, hareketin başladığı konuma güçlü şekilde bağımlıdır. Herhangi bir deney gerçekleştirmeden önce, her bir deneysel hareket yörüngesi bir test aşamasından geçmelidir.

Yörüngeler, MPI cyber motion simülatörünü yapılandırmak için KUKA tarafından tasarlanmış bir ofis bilgisayarı kullanılarak programlanır. Bu açık döngü yapılandırmasında, yörüngeler Kartezyen koordinatlar şeklinde girilir ve her 12 milisaniyede bir ters kinematik aracılığıyla eklem uzayı açılarına dönüştürülür. Mevcut eklem açısı konumları, kontrol sisteminden MPI cyber motion simülatörüne bir ethernet bağlantısı üzerinden iletilir; burada veriler artımlı olarak okunur ve robotun diskine kaydedilir.

Beş noktalı emniyet kemeri sistemiyle donatılmış bir yarış arabası koltuğu, ayak dayama yerini de içeren bir şasiye sabitlenmiştir. Şasi, robot kolunun flanşına monte edilmiştir. Katılımcılar, deney yapan kişiyle çift yönlü iletişim kurmalarını sağlayacak bir mikrofonla donatılmış gürültü engelleyici kulaklıklar takmalıdır.

Ayrıca deney düzeneği hakkında ön bilgisi olmamalıdır. Robotun gürültüsünü maskelemek için kulaklıklar aracılığıyla sürekli bir gürültü çalınır. Deney karanlıkta gerçekleştirildiği için, katılımcıların kapalı bir kabin içinde oturtulmasıyla da deneyler yapılabilir.

Kızılötesi kameralar, kontrol odasından görsel izleme yapılmasına olanak tanır. LCD ekran, stereo ön projeksiyon, mono ön projeksiyon veya başa monte ekran dahil olmak üzere birden fazla görselleştirme konfigürasyonu mümkündür. Bu deneyde, öz harekete yönelik görsel ipuçları, gözlemcilere görsel uyaranlar sağlamak amacıyla önlerine 50 santimetre mesafeye yerleştirilmiş bir LCD ekran aracılığıyla sunulmaktadır.

Yazılım, katılımcıya 200.000 noktayla dolu sanal bir OID alanı sunar. Alandaki her bir nokta, siyah bir arka plan üzerinde beyaz bir daire olarak çizilmiştir. Ekran, 13 ile 0,3 derecelik görsel açılara karşılık gelen noktaları görüntüler.

Bu noktalar, katılımcıdan 0,085 ve 4 sanal birim uzaklıktadır. Optik akış ile hareket arasında paralaks oluşturmak amacıyla, MPI kontrol bilgisayarından gelen hareket yörüngeleri aracılığıyla sanal alan hareketi fiziksel hareketle senkronize edilir.

Görüş alanının daha derinlerinde yer alan noktalar, katılımcının hareketlerinden bağımsız olarak daha küçük çizilir. Her biri, rastgele yeniden atanmadan önce iki saniye boyunca asenkron olarak gösterilir. Böylece, her saniyede toplam yüz bin nokta hareket eder.

Yanıt düğmeleriyle donatılmış özel yapım bir joystick, katılımcıların verileri ethernet bağlantısı üzerinden kontrol sistemine iletmesine olanak tanır. Duyusal bilgiler; sınırlı yaşam süreli yıldız alanından yalnızca görsel ipuçları sağlanarak, katılımcının gözleri kapalıyken pasif kendi hareketiyle yalnızca vestibüler kinestetik ipuçları sağlanarak veya katılımcının gözleri açıkken her iki ipucu birden sağlanarak manipüle edilebilir.

Bu deneyde, hareket yörüngeleri iki segment uzunluğundan oluşmuştur. Birincisi 0,4 metredir ve ikincisi bir metredir. Herhangi iki hareket segmenti arasındaki açı 45 derece veya 90 derece olarak iletilmektedir.

Örneğin, yatay düzlemdeki hareket; 90 derece ileri doğru ileri-sağa hareket, 45 derece sağa doğru sağa hareket, 90 derece ileri hareket veya 45 derece ileri-sağa doğru sağa-ileri hareketten oluşur. Bu hareket türleri sagital ve frontal düzlemlerde de gerçekleştirilir. Yörüngeler, rotasyon olmaksızın translasiyonlar şeklinde uygulanır.

Her yörüngeyi bir yeniden konumlandırma dizisi takip eder; ardından, her denemeden önce hareketten kaynaklanabilecek olası girişimleri azaltmak ve vestibüler sistemin, algılanan hareketlerine dair geri bildirim sağlamak amacıyla kararlı bir durumdan test edilmesini sağlamak için 15 saniyelik bir ara verilir, katılımcılar başlangıç noktasına göre hareketlerini belirtmek için bir joystick ile bir oku hareket ettirirler. Başlangıç noktası üç farklı bakış açısından bir avatar olarak sunulur ve ok, denemelerden önceki ayarlamadan önce her zaman rastgele konumlandırılır. Katılımcının geri bildirim sistemini doğru kullanması için eğitilmesi büyük önem taşımaktadır.

Deney sırasında kucaklarında duran joystick gibi çevrelerindeki nesnelere okla işaret edebilmelidirler. Joystick'in hareketi yörünge düzlemi ile sınırlandırılmıştır ve katılımcılar veri toplarken herhangi bir bakış açısını veya tüm bakış açılarını kullanabilirler. Her bir deneysel koşul üç kez tekrarlanır ve rastgele sırayla sunulur.

16 katılımcıdan elde edilen veriler analiz edildi. Aşırı uç değerler çıkarıldı; modalitenin ve açının tahmin edilen hareket üzerinde anlamlı bir etkisi olmadığı görüldü. Ancak katılımcılar, yatay düzlemdeki hareket açısı boyutunu yaklaşık dokuz derece düşük, frontal düzlemdeki açı boyutunu ise yaklaşık beş derece yüksek tahmin ettiler.

Açı faktörünün frontal düzlem faktörü ile anlamlı şekilde etkileşime girdiği ve 45 derecelik hareketler için yapılan aşırı tahminlerin, 90 derecelik hareketlerinkinden daha büyük olduğu saptanmıştır. Ayrıca, modalitenin açıyla anlamlı şekilde etkileşime girdiği ve 90 derecelik hareketler için yalnızca vestibüler bilgilerden kaynaklanan düşük tahminlerin, görsel ve kombine koşullara kıyasla anlamlı derecede daha büyük olduğu bulunmuştur. Bu tür tutarsızlıklar 45 derecelik hareketler için görülmemiştir.

Görsel ve kombine koşullarla karşılaştırıldığında, yalnızca vestibüler kinestetik ipuçları üzerinden geri bildirim verildiğinde yanıt süresinin önemli ölçüde daha yavaş olduğu saptanmıştır. Ayrıca, katılımcıların yatay düzlemde hareket ettirildiklerinde diğer düzlemlere kıyasla önemli ölçüde daha yavaş oldukları görülmüştür. Beynin uzay temsilinin boyutlar arasında simetrik olmadığını göstermeleri bakımından bu sonuçlar gerçekten şaşırtıcıdır.

İnsanların yatay düzlemdeki hareketlerini olduğundan az tahmin etme eğiliminde olduklarını bir süredir biliyoruz; burada ise ilk kez, bunun dikey boyutta geçerli olmadığını gösteriyoruz. Gelecekte, kavisli olanlar da dahil olmak üzere üç boyutta yollar oluşturmak için bu yöntemleri kullanabileceğiz. Bu, beynin farklı düzlemlerdeki hareketleri nasıl entegre edebildiği ve dönüşleri nasıl yönettiği gibi ek soruları yanıtlamamıza olanak sağlayacaktır.