MPI سيبرموتيون محاكي: تنفيذ جهاز محاكاة الحركة الرواية المعنية بالتحقيق في مسار التكامل متعدد الحواس في ثلاثة أبعاد

الهدف العام من التجربة التالية هو قياس الملاحة في المسار في ثلاثة أبعاد مع التحكم في المدخلات الحسية البصرية والدهليزية للمشارك. ويتم تحقيق ذلك باستخدام كرسي روبوتي معدل بست درجات من الحرية يعمل على تحفيز الجهاز الدهليزي للشخص الجالس في الكرسي. يشاهد المشارك حقل نجوم افتراضي، ومن خلال تحريك الكرسي الروبوتي وتغيير حقل النجوم في آن واحد، يوفر النظام إشارات بصرية ودهليزية للمشارك.

يقدم المشاركون تعليقات حول الملاحة في المسار من خلال دقة وسرعة قدرتهم على الإشارة مرة أخرى إلى موضع البداية الذي تذكروه. وتظهر النتائج أن التقدير غير الدقيق للحركة الذاتية يعتمد على مستوى الحركة والزاوية التي تم تحريكهم من خلالها. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل منصات الحركة في أن محاكي MPI Cyber Motion يمتلك مساحة عمل واسعة قادرة على تحريك المراقبين في أبعاد مختلفة، لاسيما إلى الأسفل.

يمكن لهذه الطريقة أن تجيب على أسئلة جوهرية في مجال علوم الأعصاب، مثل ما إذا كان الدماغ يمثل الحركة الذاتية في الأبعاد المختلفة بشكل متساوٍ. وقد استلهمنا فكرة هذه التجارب من دراسة أجراها زميلنا Manuel Vidal، حيث قام بنقل الأشخاص عبر متاهات افتراضية باستخدام العرض البصري فقط.

هنا وجد أن الملاحة الدوائية تضعف عندما تتضمن MACES مكوناً عمودياً. وتمتد آثار هذه التقنية نحو تشخيص الارتباك المكاني لأنها توفر معياراً للملاحة في المسارات في الدماغ الطبيعي. يتكون محاكي الحركة NPI Cyber من روبوت تسلسلي سداسي المفاصل في تكوين 3, 2, 1.

يعتمد هذا النظام على روبوت صناعي بحمولة 500 kilogram لضمان سلامة الروبوت أثناء التجريب. وقد أُجريت تعديلات على كل من الأجهزة والبرامج، مما أتاح إمكانية تنفيذ ملفات حركة معقدة تجمع بين الحركات الجانبية والدورانية، وذلك باستخدام محاكي الحركة MPI cyber motion simulator.

يمكن للمحاور واحد وأربعة وستة الدوران بشكل مستمر، بينما تحد أربعة أزواج من القطع المعدنية ومصدات الحركة المحاور اثنين وثلاثة وخمسة في كلا الاتجاهين. ويعتمد المدى الأقصى للحركات الخطية بشكل كبير على الموضع الذي تبدأ منه الحركة. وقبل إجراء أي تجارب، يجب أن تخضع كل مسار حركة تجريبي لمرحلة اختبار.

يتم برمجة المسارات باستخدام جهاز كمبيوتر مكتبي مصمم من قبل شركة KUKA لتهيئة محاكي الحركة السيبرانية MPI. وفي هذا التكوين ذي الحلقة المفتوحة، يتم وضع المسارات بإحداثيات ديكارتية وتحويلها إلى زوايا في حيز المفاصل من خلال الكينماتيكا العكسية كل 12 ميلي ثانية. وتُنقل مواضع زوايا المفاصل الحالية من نظام التحكم إلى محاكي الحركة السيبرانية MPI عبر اتصال إيثرنت، حيث يتم قراءتها وتسجيلها تدريجيًا على القرص الموجود في الروبوت.

يتم تثبيت مقعد سيارة سباق مجهز بنظام حزام أمان خماسي النقاط على هيكس، يتضمن مسنداً للقدم. ويُثبّت الهيكل على شفة الذراع الروبوتية. يجب على المشاركين ارتداء سماعات رأس عازلة للضوضاء، مجهزة بميكروفون للتواصل ثنائي الاتجاه مع الباحث.

يجب أن يكونوا أيضاً غير مطلعين على الإعداد التجريبي. يتم تشغيل ضوضاء مستمرة عبر سماعات الرأس، مما يحجب ضوضاء الروبوت. كما يمكن إجراء التجارب من خلال إجلاس المشاركين داخل كابينة مغلقة أثناء تنفيذ التجربة في الظلام.

تتيح الكاميرات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء المراقبة المرئية من غرفة التحكم. وتتوفر عدة تكوينات للتصوير المرئي، بما في ذلك شاشة LCD، أو عرض أمامي ستيريو، أو عرض أمامي أحادي، أو شاشة مثبتة على الرأس. وفي هذه التجربة، يتم توفير الإشارات المرئية للحركة الذاتية عبر شاشة LCD، وُضعت على مسافة 50 سنتيمتر أمام المراقبين لتقديم هذه الإشارات المرئية.

يعرض البرنامج للمشارك مساحة افتراضية للـ OID مليئة بـ 200,000 نقطة. تُرسم كل نقطة في المساحة على شكل دائرة بيضاء مقابل خلفية سوداء. وتعرض الشاشة نقاطاً تقابل زوايا بصرية تتراوح من 13 إلى 0.3 درجة.

توجد هذه النقاط على مسافة 0.085 و4 وحدات افتراضية من المشارك. ويتم مزامنة حركة المجال الافتراضي مع الحركة الفيزيائية عبر مسارات الحركة من جهاز الكمبيوتر الخاص بالتحكم في MPI لخلق تزيح بين التدفق البصري والحركة.

يتم رسم النقاط الموجودة في عمق مجال الرؤية بحجم أصغر بغض النظر عن تحركات المشارك. تُعرض كل نقطة لمدة ثانيتين بشكل غير متزامن قبل إعادة تعيينها عشوائياً. وبذلك، يتحرك إجمالي مئة ألف نقطة في كل ثانية.

يتيح جهاز تحكم (joystick) مُصنع خصيصاً ومزود بأزرار استجابة للمشاركين إمكانية نقل البيانات عبر اتصال ethernet إلى نظام التحكم. ويمكن التحكم في المعلومات الحسية من خلال تقديم إشارات بصرية فقط من حقل نجوم محدود العمر، أو إشارات حركية دهليزية فقط ناتجة عن الحركة الذاتية السلبية مع إغلاق عيني المشارك، أو تقديم كلا النوعين من الإشارات مع فتح عيني المشارك.

في هذه التجربة، تألفت مسارات الحركة من طولي قطعتين؛ الأولى بطول 0.4 meters، والثانية بطول one meter. ويتم نقل الزاوية بين أي قطعتي حركة إما بـ 45 degrees أو 90 degrees.

على سبيل المثال، تتكون الحركة في المستوى الأفقي إما من حركة أمامية جهة اليمين بزاوية 90 درجة، أو حركة جهة اليمين بزاوية 45 درجة، أو حركة أمامية بزاوية 90 درجة، أو حركة أمامية جهة اليمين بزاوية 45 درجة. كما يتم تنفيذ هذه الأنواع من الحركات في المستويين السهمي والجبهي. ويتم تقديم المسارات كعمليات إزاحة دون دوران.

يتبع كل مسار تسلسلاً لإعادة التموضع، يليه توقف لمدة 15 ثانية لتقليل أي تداخل محتمل ناتج عن الحركة قبل كل تجربة، ولضمان اختبار الجهاز الدهليزي من حالة مستقرة؛ ولتقديم تغذية راجعة عن حركتهم المدركة، يقوم المشاركون بتحريك سهم باستخدام ذراع تحكم للإشارة إلى حركتهم بالنسبة لنقطة الأصل. يتم عرض نقطة الأصل كشخصية افتراضية (avatar) من ثلاث وجهات نظر، ويكون السهم دائماً في موضع عشوائي قبل التعديل وقبل بدء التجارب. ومن الضروري تدريب المشارك على استخدام نظام التغذية الراجعة بدقة.

يجب أن يكونوا قادرين على توجيه السهم نحو الأشياء الموجودة في محيطهم، مثل عصا التحكم المستقرة على أرجلهم أثناء التجربة. تكون حركة عصا التحكم مقيدة بمستوى المسار، ويمكن للمشاركين استخدام أي من وجهات النظر أو جميعها عند جمع البيانات. يتم تكرار كل حالة تجريبية ثلاث مرات وتقديمها بترتيب عشوائي.

تم تحليل البيانات المأخوذة من المشاركين الـ 16. أولاً، تم استبعاد درجات القيم المتطرفة للغاية، ولم يكن لمنوال الاستشعار أو الزاوية تأثير معنوي على الحركة المقدرة. ومع ذلك، فقد قلل المشاركون من تقدير حجم زاوية الحركة في المستوى الأفقي بنحو تسع درجات تقريباً، وبالغوا في تقدير حجم الزاوية في المستوى الجبهي بنحو خمس درجات. هنا.

وُجد أن عامل الزاوية يتفاعل بشكل ملحوظ مع عامل المستوى الجبهي، بحيث كانت التقديرات المبالغ فيها أكبر في الحركات التي بلغت 45 درجة مقارنة بالحركات التي بلغت 90 درجة. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن نمط الاستقبال يتفاعل بشكل ملحوظ مع الزاوية، حيث كانت التقديرات الناقصة الناتجة عن المعلومات الدهليزية وحدها للحركات التي بلغت 90 درجة أكبر بشكل ملحوظ مقارنة بالحالتين البصرية والمشتركة. وكانت هذه التباينات غائبة في الحركات التي بلغت 45 درجة.

وُجد أن زمن الاستجابة كان أبطأ بشكل ملحوظ عندما تم تقديم التغذية الراجعة بناءً على الإشارات الحركية الدهليزية وحدها مقارنة بالحالات البصرية والمشتركة. كما كان المشاركون أبطأ بشكل ملحوظ عند تحريكهم في المستوى الأفقي مقارنة بالمستويات الأخرى. وتعد هذه النتائج مفاجئة حقاً لأنها تشير إلى أن تمثيل الدماغ للمكان ليس متماثلاً عبر الأبعاد.

لقد علمنا منذ فترة أن الناس يميلون إلى تقدير حركتهم في المستوى الأفقي بأقل من قيمتها الحقيقية، وهنا وللمرة الأولى، نبين أن هذا الأمر لا ينطبق على البعد الرأسي. وفي المستقبل، سنتمكن من استخدام هذه الطرق لإنشاء مسارات في جميع الأبعاد الثلاثة، بما في ذلك المسارات المنحنية. سيمكننا ذلك من الإجابة على أسئلة إضافية، مثل كيفية قدرة الدماغ على دمج الحركة عبر المستويات، وكذلك كيفية تعامله مع المنعطفات أثناء الملاحة.