A - سلبية الآلي اللمس فنجر محفز (TAPS)

مرحباً، اسمي دان غولدريتش ونحن هنا في مختبر أبحاث اللمس في جامعة ماكماستر. هؤلاء هم إنغريد كانز، وبرايان بيترز، ومايك وونغ، وسنتحدث إليكم اليوم عن جهاز تحفيز الأصابع السلبي الآلي للمس أو TAPS. يُعد TAPS جهازاً لقياس حدة التمييز المكاني اللمسي السلبي في طرف الإصبع، وقد قمت بتطويره في جامعة دوكين في بيتسبرغ، بنسلفانيا مع إنغريد كانز، وقمنا منذ ذلك الحين بتعديله في جامعة ماكماستر هنا في هاميلتون، أونتاريو مع رايان ومايك.

ويعد هذا الجهاز وسيلة لتقديم محفزات لمسية محكومة لطرف الإصبع، مع التحكم في سرعة بدء القوة ومدة التحفيز. ينقسم هذا الفيديو إلى ثلاثة أقسام؛ حيث نقدم في القسم الأول نظرة عامة على آلية عمل جهاز TAPS.

بعد ذلك، سنعرض جهاز taps أثناء التشغيل ونصف مكوناته حتى يتمكن الآخرون من تكرار تصنيع الجهاز. وأخيرًا، سنوضح أحد بروتوكولات الاختبار العديدة التي يمكن لجهاز taps تنفيذها، وهو تجربة تصنيف التوجه القائمة على الاختيار القسري بين فترتين زمنيتين مع التباين. يستخدم نظام التتبع التكيفي في taps الجاذبية لضغط سطح التحفيز على الجلد.

تؤثر الجاذبية بقوة إلى الأسفل على كتلة معلقة بقضيب. يُظهر هذا المنظر الجانبي صنابير مع إزالة عدة هياكل من أجل توضيح آلية عمل الجهاز بوضوح، حيث تستريح ذراع المشارك بشكل مريح في وضعية الانبطاح على سطح طاولة. وتستقر طرف الإصبع فوق نفق في الطاولة.

لا يظهر النفق في هذا المخطط، وعلى طاولة سفلية مخفية عن رؤية المشارك، يقوم محرك خطوي بتدوير قرص يحمل ما يصل إلى 40 قطعة تحفيز، حيث يضع إحدى هذه القطع تحت الإصبع. ويمتد عارض، موضح هنا باللون الأحمر، من العربة المتحركة لمشغل خطي لمنع القضيب من الدوران. ومع تحرك المحرك للأمام، يدور القضيب تحت تأثير الجاذبية، مما يدفع قطعة التحفيز للأعلى عبر النفق وصولاً إلى الجلد.

تربط الفيزياء البسيطة بين سرعة المشغل الميكانيكي والسرعة التي يرتفع بها سطح التحفيز لملامسة الجلد، وبين وزن الكتلة المتدلية والقوة الساكنة للمحفز اللمسي. وعندما يعكس المشغل الميكانيكي اتجاهه لإعادة القضيب إلى موضعه الأصلي، تسقط قطعة التحفيز، ثم يدور المحرك الخطوي القرصي لوضع قطعة أخرى تحت الإصبع، وتتكرر العملية بأكملها. ويظهر هذا المنظر العلوي، مع إزالة الإصبع، دورة تحفيز أخرى.

لاحظ ارتفاع قطعة التحفيز عند تحرك المشغل للأمام وانخفاضها عند تراجعه. ولصنع قطع التحفيز، بدأنا باستخدام قضبان من مادة الدليرين بقطر نصف بوصة وطول ثلاثة بوصات على آلة تفريز صغيرة من نوع shoreline. استخدمنا قاطعاً طائراً لتسوية الطرفين، مما قلل طول القضيب إلى 2.75 بوصة.

نستخدم القاطع الدوار (fly cutter) لتشكيل أعمدة مستطيلة بطول بوصتين، ومقطع مربع بمقاس 8.7 millimeters. ونقوم بقطع أخاديد متوازية في الوجه المستدير لإنشاء تدرجات موجية مربعة ذات عرض متساوٍ للأخاديد والنتوءات لقطع أخاديد أكبر. بينما استخدمنا مبردًا طرفيًا (end mill) للأخاديد الأصغر.

استخدمنا صلصة الشق. ووضعنا حلقات دائرية من السيليكون حول العمود لتقليل اهتزاز القطع. وبينما يدور القرص، تظهر هنا المكونات الميكانيكية للصنابير. وعندما تتحرك عربة المشغل الخطي للأمام، يُسمح للكتلة المعلقة بالسقوط تحت تأثير الجاذبية.

يحدد وزن هذه الكتلة ومسافتها عن نقطة الارتكاز على طول القضيب الدوار معاً القوة الصاعدة التي تلامس بها قطعة التحفيز جلد الخاضع للاختبار. يتم وضع قطعة معينة مباشرة تحت نفق في الطاولة العلوية بواسطة محرك خطوي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر يقوم بتدوير صينية التحفيز. بعد أن يضغط الخاضع للاختبار على زر الاستجابة، يصدر الكمبيوتر أمراً للمحرك الخطوي بتدوير صينية التحفيز، مما يضع قطعة تحفيز أخرى مباشرة تحت النفق.

في الجدول العلوي، يتم مراقبة حركة مكونات الصنابير بواسطة عدة مستشعرات. حيث يقوم مستشعر عاكس برصد وجود قطعة تحفيز مرتفعة.

لاحظ إضاءة وانطفاء الضوء الأخضر. تستخدم الصنابير هذا المستشعر أثناء تهيئة التجربة لوضع القضيب الدوار بشكل صحيح على مسافة محددة أسفل قطع التحفيز. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي تنشيط المستشعر إلى تعطيل المحرك الخطوي، مما يمنع تلف المعدات الذي قد يحدث بخلاف ذلك.

في حال حدوث انحشار عرضي لقطعة من المثيرات داخل النفق، يقوم مستشعر كهروضوئي على شكل حرف U بتحديد الموضع الأصلي لصينية المثيرات. يتم تفعيل هذا المستشعر عندما تقوم قطعة من الورق المقوى الملحومة بحافة الصينية الدوارة بقطع شعاع المستشعر الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء.

يتم حساب جميع تحركات صينية التحفيز لاحقاً بالنسبة لموضع الأصل هذا. ويقوم مستشعر تأثير HU بتحديد موضع الأصل للمشغل الخطي. يمكننا هنا رؤية عربة المشغل وهي تتحرك للأمام، حيث ستتحرك طاولة الارتكاز عندما تنتقل العربة إلى موضع الأصل.

يتم تفعيل المستشعر، لاحظ إضاءة وانطفاء الضوء الأحمر كميزة أمان. يوجد مستشعران مماثلان، أحدهما موضح هنا، يقومان بتحديد حدود الحركة الأمامية والخلفية للعربة في حالة حدوث خلل غير مرجح في المشغل الميكانيكي.

تعمل مستشعرات الحدود هذه على تعطيل المشغل الميكانيكي لمنع الحركة العشوائية للعربة. ومع فرض وضع طاولة المحور ومحاذاتها بدقة، يلامس العارض الممتد من عربة المشغل قضيباً رأسياً يمتد للأسفل من القضيب الدوار عند نقطة المحور. ويعمل محمل معدني شبه خالٍ من الاحتكاك كنقطة محور، مما يسمح للقضيب بالدوران بحرية.

عندما تتحرك عربة المشغل الميكانيكي للأمام، تدخل الكتل في سلة فيلكرو (Velcro) تتدلى من القضيب الدوار. وبمجرد وضع ذراع الخاضع للاختبار في وضعية الانكباب على سطح الطاولة، يتم وضع الوسادة القاصية للإصبع المراد اختباره فوق نفق في الطاولة ترتفع من خلاله أسطح التحفيز. ولملامسة الجلد ومنع حركة الإصبع الجانبية، ضع بلطف حاجزين مغطيين من الأسفل بشريط رغوي مزدوج الجوانب مقابل جانبي الإصبع.

بمساعدة وضعية محورية، يُضغط مستشعر القوة برفق مقابل ظفر الإصبع بالقرب من الجلد المحيط بالظفر بزاوية 90 درجة بالنسبة لمستوى الظفر، مع التأكد من أن المستشعر يمارس قوة تتراوح بين 50 و 80 grams. وتكون هذه القوة مريحة للشخص الخاضع للاختبار وتمنح المستشعر حساسية ممتازة تجاه حركة الإصبع. تُثبت صنابير المحور، وهي نظام متعدد الاستخدامات يمكن استخدامه لتطبيق أي محفز، على أسطح مقطوعة في وجوه قضبان بقطر half inch.

لأغراض التوضيح، سنبين لكم كيفية تنفيذ مهمة تحديد اتجاه التدرج القائمة على الاختيار القسري بين فترتين. تستخدم مهمة تحديد اتجاه التدرج في مختبرنا 20 سطحاً تحفيزياً بعروض GR تتراوح ما بين 0.25 مليمتر كحد أدنى و3.1 مليمتر كحد أقصى. تتكون كل تجربة من عرضين تحفيزيين متتاليين بتدرجات ذات عرض أخدود متماثل، ولكن تختلف في الاتجاه بمقدار 90 درجة. ويتم تطبيق هذه المحفزات على الوسادة القاصية للإصبع.

في أحد العرضين، تكون الأخاديد محاذية عمودياً أو موازية للمحور الطولي للإصبع، وفي العرض الآخر تكون الأخاديد محاذية أفقياً أو متعامدة مع المحور الطولي للإصبع. يتم اختيار ترتيب العرض عشوائياً. يحدد المشارك ما إذا كان التوجه الأفقي قد حدث في الفترة الأولى أو الثانية عن طريق الضغط على أحد زرين باليد غير المختبرة؛ فللإشارة إلى أن التوجه الأفقي عُرض أولاً، يضغط المشارك على الزر الموجود على اليسار، وللإشارة إلى أن التوجه الأفقي قد عُرض.

ثانيًا، يضغط المشارك على الزر الموجود على اليمين. والآن، دعونا نلقي نظرة على ما قد يمر به المشارك النموذجي في جلسة اختبار. أريد أن أوجه انتباهكم إلى التقييمين الموضحين في أعلى اليسار في هذه التجربة.

تم النقر على إصبع الشخص الخاضع للتجربة أولاً بينما كانت التدريجات محاذية أفقياً، وثانياً بينما كانت التدريجات محاذية رأسياً. في هذه الحالة، تكون الاستجابة الصحيحة هي الضغط على الزر الموجود على اليسار. في هذا المثال، يضغط الشخص الخاضع للتجربة على الزر الموجود على اليمين، وهي استجابة غير صحيحة.

يظهر ذلك في مخطط الأداء في الزاوية العلوية اليمنى من خلال علامة X حمراء. يتم اختيار عرض الأخدود التالي الذي سيتم تقديمه بواسطة خوارزمية بايزيان التكيفية (Bayesian adaptive algorithm)، والتي سنناقشها بمزيد من التفصيل في الجزء التالي من الفيديو. ومن المفترض أن تكون هذه التجربة أسهل في التنفيذ بالنسبة للمشارك، وذلك لأن عرض الأخدود الذي اختارته الخوارزمية أكبر من عرض الأخدود في التجربة السابقة.

يتم عرض تدرجين مرة أخرى على الشخص الخاضع للاختبار. وفي هذه الحالة، يكون التدرج الأول محاذياً رأسياً والثاني أفقياً. هذه المرة، يقدم الشخص استجابة صحيحة بالضغط على الزر الموجود على اليمين، ويشار إلى ذلك بصليب أزرق في مخطط الأداء.

في التجربة الثالثة، انخفض عرض المجموعة قليلاً، مما جعل المهمة أكثر صعوبة. ومرة أخرى، يقدم الخاضع للتجربة استجابة صحيحة. وتستمر سلسلة الأحداث هذه حتى يتم تقديم العدد المحدد من التجارب.

نقوم عادةً بتشغيل مجموعات مكونة من 40 تجربة لتقدير الدالة السيكومترية لكل مشارك. ونستخدم نسخة معدلة من طريقة Cevi وTyler للتكيف البايزي في تقدير العتبات (SI). وفي الفيزياء النفسية، تربط الدالة السيكومترية بين معلمة المحفز الفيزيائي (عرض الأخدود في حالتنا هذه) وبين احتمالية الاستجابة الصحيحة.

اتباعاً لمنهج Conserv و Tyler، نقوم بنمذجة D prime كدالة قانون القوة لعرض الأخدود. وقد أدى ذلك إلى دالة سيكومترية طبيعية تراكمية محددة بثلاثة معاملات، وهي a و B و delta A، أو أن معامل العتبة هو الأخدود الذي يمكن للشخص التمييز بين اتجاهه بشكل صحيح بنسبة 76% من الوقت، وهو ما يتوافق مع DPR بقيمة one في هذه المهمة.

يمكنكم أن تلاحظوا هنا أنه كلما زدت قيمة العتبة، انزاح المنحنى نحو اليمين. وكلما قللت العتبة، انزاح المنحنى نحو اليسار. أما الأشخاص الأكثر مهارة في هذه المهمة، فيمكنهم تمييز اتجاه الأخاديد الأكثر نحافة، لذا تنزاح المنحنيات الخاصة بهم نحو اليسار.

لاحظ أنه على الرغم من انزياح المنحنى على طول البعد X، نتيجة تغير قيمة العتبة، إلا أن ميل المنحنى يظل كما هو. يتم تحديد ميل المنحنى بواسطة المعلمة B، وهي التي توضح مدى سرعة ارتفاع المنحنى.

يكون المنحنى ضحلاً عند قيم الميل المنخفضة، ولكن يمكنك ملاحظة أن المنحنى يصبح أكثر انحداراً مع زيادة قيمة الميل. ربما لاحظت أيضاً أن المنحنى يقترب من الواحد أو 100% عندما تكون عروض الأخاديد كبيرة. ويفترض هذا أنه عند وصول عروض الأخاديد إلى حد كافٍ من الكبر، فإن الخاضع للاختبار سيجيب دائماً بشكل صحيح.

ولكن في الواقع، قد يفقد المشاركون تركيزهم أحياناً أو قد يضغطون عن طريق الخطأ على زر الاستجابة الخاطئ. وبناءً على ذلك، فلن تكون إجاباتهم صحيحة دائماً حتى عند عرض عرض أخدود كبير. وبعبارة أخرى، هناك حد أعلى لارتفاع الدالة السيكومترية، ويتم تحديده بواسطة معامل دلتا أو معدل الهفوات.

بعد أن ناقشنا معالم الدالة السيكومترية، دعونا نلقِ نظرة على كيفية وصول الإجراء التكيفي البايزي إلى تقدير لهذه المعالم. أثناء جلسة اختبار هنا، أقوم بتشغيل محاكاة لمشارك نموذجي لديه عتبة تبلغ 1.75 millimeters، وميل يبلغ خمسة، ومعدل زلل بنسبة 4%. يتم تمثيل الدالة السيكومترية للمشارك بالمنحنى الأرجواني في الرسم البياني أعلى اليسار.

هذا المنحنى هو ما نحاول تقديره. يعرض المخطط الموجود في الزاوية العلوية اليمنى سجلاً لأداء الخاضع للاختبار عبر مجموعة من المحاولات. وكما ظهر سابقاً، تشير علامة X الحمراء إلى استجابة خاطئة وتشير العلامة الزرقاء إلى استجابة صحيحة.

في بداية التجربة، نكون غير متأكدين من شكل الدالة السيكومترية للخاضع للاختبار. ونعبر عن حالة عدم اليقين هذه من خلال النظر في نطاق من القيم المحتملة لـ A وB وdelta.

نقوم بتعيين احتمالية مسبقة متساوية لكل ثلاثية a b delta. وبعبارة أخرى، فإننا نحدد توزيع احتمالية مسبق موحد عبر عدة آلاف من الدوال السيكومترية المحتملة. ومع تقدم التجربة، نتعلم من إجابات الشخص الخاضع للاختبار أن بعض هذه الدوال هي أكثر احتمالاً من غيرها.

تنخفض حالة عدم اليقين أو الإنتروبيا في توزيع الاحتمالات لتحديد قطعة التحفيز التي سيتم عرضها تالياً؛ حيث تحسب الخوارزمية الإنتروبيا المتوقعة لكل عرض من عروض الأخاديد بعد كل تجربة مكتملة. يظهر ذلك في المخطط الموجود أسفل اليسار. وسيتم عرض عرض الأخدود الذي يحقق أدنى إنتروبيا متوقعة على المفحوص.

يُشار إلى عرض هذا الأخدود بصليب أبيض في المخطط العلوي الأيسر. تُعد هذه الخطوة حاسمة لكفاءة الإجراء التكيفي الخليجي، لأننا نحاول باستمرار تقليل عدم اليقين بشأن الدالة السيكومترية للخاضع للاختبار من خلال تقدير وعرض عرض الأخدود الذي من شأنه أن يزيد من كمية المعلومات المكتسبة. ويعرض المخطط الموجود في أسفل اليمين دالة توزيع الاحتمال البعدي المشترك أو الـ PDF لمعاملات الميل والعتبة.

في هذا المخطط، يمثل اللون الأبيض احتمالية عالية ويمثل اللون الأسود احتمالية منخفضة. ولإنشاء هذا المخطط، قمنا بجمع أو تهميش معامل معدل الهفوات. وبعد كل تجربة، نصل إلى تقدير لقيمة العتبة وقيمة الميل للمشارك.

يشير المنوال في هذا المخطط، والمحدد بعلامة الزائد الحمراء، إلى أفضل تقدير حالي للعتبة والميل. وباستخدام هذه القيم، يمكننا رسم تقدير للدالة السيكومترية للشخص الخاضع للاختبار، وهو ما يظهر من خلال المنحنى الأخضر في المخطط الموجود أعلى اليسار.

مع جمع المزيد من البيانات، يصبح تقديرنا أكثر دقة. وتصبح دالة كثافة الاحتمال البعدية المشتركة أكثر ضيقاً، مما يشير إلى أن عدم اليقين بشأن قيم المعلمات المقدرة في تناقص. يمكنك أيضاً ملاحظة أنه مع توفر المزيد من البيانات، يقترب المنحنى المقدر من شكل المنحنى الحقيقي.

بعد أن انتهينا من جمع بياناتنا، يمكننا الآن وضع تقدير أفضل لمعلماتنا. وبما أن المقياس التابع لدينا هو قيمة عتبية، فيمكننا إجراء تهميش على معلمة المنحدر لإعطاء التقدير الأكثر دقة لمعلمة العتبة؛ وما يظهر هنا هو دالة كثافة الاحتمال البعدية لمعلمة العتبة. يمثل المنوال لهذه الدالة أفضل تقدير لعتبة الخاضع للتجربة، ولكن هناك حالة من عدم اليقين بشأن هذا التقدير.

يُمثل هذا عدم اليقين بعرض المنحنى؛ فكلما كان المنحنى أكثر اتساعاً، قلت ثقتنا في تقديرنا لعتبة الشخص، والعكس صحيح، فكلما كان المنحنى أكثر ضيقاً، زادت ثقتنا في تقديرنا لعتبة الشخص. وبذلك نكون قد أتممنا وصف جهاز taps، وهو المحفز اللمسي الآلي السلبي للأصابع.

نأمل أن يتم تكرار هذه التجارب من قبل باحثين آخرين وأن تساهم في تعزيز التوجه نحو اختبارات اللمس المنضبطة، والتي شهدت تقدماً واعداً في السنوات الأخيرة. يرجى عدم التردد في الاتصال بنا إذا كانت لديكم أي أسئلة أخرى.