A táctil automático pasivo-Finger Stimulator (TAPS)

Hola, mi nombre es Dan Goldrich y estamos aquí en el laboratorio de investigación táctil de tu universidad master. Esta es Ingrid Cans, Brian Peters y Mike Wong, y vamos a hablarles hoy sobre el estimulador táctil pasivo automatizado o TAPS. TAPS es un dispositivo para medir la agudeza táctil espacial pasiva en la yema del dedo, y lo desarrollé en la Universidad Duquesne en Pittsburgh, Pensilvania, junto con Ingrid Cans, y desde entonces lo hemos modificado en la Universidad McMaster aquí en Hamilton, Ontario, con Ryan y Mike.

Y este dispositivo es un método para entregar estímulos táctiles controlados a la yema del dedo, controlando la velocidad de inicio de la fuerza y la duración del estímulo. Este video está organizado en tres secciones. Primero, ofrecemos una visión general del funcionamiento de los toques.

A continuación, mostramos los taps en funcionamiento y describimos sus componentes para que otros puedan replicar el dispositivo. Finalmente, ilustramos uno de los muchos protocolos de prueba que los taps pueden realizar: un experimento de orientación por elección de fuerza en dos intervalos con detección auditiva. Los taps con seguimiento adaptativo utilizan la gravedad para presionar una superficie de estímulo contra la piel.

La gravedad ejerce una fuerza descendente sobre una masa que cuelga de una varilla. Esta vista lateral muestra los toques con varias estructuras eliminadas para ilustrar claramente el funcionamiento del dispositivo; el brazo del participante descansa cómodamente en posición prona sobre una superficie de mesa. La punta del dedo se encuentra sobre un túnel en la mesa.

El túnel no se muestra en este diagrama; en una mesa inferior oculta de la vista del participante, un motor paso a paso gira un disco que sostiene hasta 40 piezas de estímulo, colocando una de las piezas debajo del dedo. Una barra transversal mostrada aquí en rojo se extiende desde el carro móvil de un actuador lineal, impidiendo que la varilla gire. Cuando el actuador avanza, la varilla gira bajo la influencia de la gravedad, presionando una pieza de estímulo hacia arriba a través del túnel y contra la piel.

La física sencilla relaciona la velocidad del actuador con la velocidad a la que la superficie del estímulo asciende para entrar en contacto con la piel, y el peso de la masa colgante con la fuerza estática del estímulo táctil. Cuando el actuador invierte su dirección para devolver la varilla a su posición inicial, la pieza del estímulo suelta el disco, luego el motor paso a paso gira para colocar otra pieza debajo del dedo y todo el proceso se repite. Esta vista superior, con el dedo retirado, muestra otro ciclo del estímulo.

Observe la pieza de estímulo elevándose cuando el actuador avanza y descendiendo cuando el actuador invierte el movimiento. Para fabricar las piezas de estímulo, partimos de varillas de delrín de media pulgada de diámetro y tres pulgadas de longitud, utilizando una fresadora miniatura Shoreline. Utilizamos una fresa frontal para aplanar ambos extremos, reduciendo así la longitud de la varilla a 2,75 pulgadas.

Utilizamos la cortadora de volante para dar forma a ejes rectangulares de dos pulgadas de largo y 8,7 milímetros de sección cuadrada. Realizamos ranuras paralelas en la cara redonda para crear gradaciones de onda cuadrada con anchos iguales de ranura y cresta, con el fin de cortar ranuras más grandes. Utilizamos una fresa de extremo para ranuras más pequeñas.

Utilizamos salsa cortante. Colocamos anillos tóricos de silicona alrededor del eje para reducir la vibración de las piezas. A medida que el disco gira, se muestran aquí los componentes mecánicos de las llaves. Cuando el carro del actuador lineal avanza, se permite que la masa colgante caiga bajo la influencia de la gravedad.

El peso de esta masa y su distancia respecto al punto de pivote a lo largo de la varilla giratoria determinan conjuntamente la fuerza ascendente con la que la pieza de estímulo entra en contacto con la piel del sujeto. Una pieza determinada se coloca directamente debajo de un túnel en la mesa superior mediante un motor paso a paso controlado por computadora que gira la bandeja de estímulos. Después de que el sujeto presiona un botón de respuesta, la computadora ordena al motor paso a paso que gire la bandeja de estímulos, colocando otra pieza de estímulo directamente debajo del túnel.

En la tabla superior. El movimiento de los pulsadores y sus componentes se monitorea mediante varios sensores. Un sensor retroreflectante detecta la presencia de una pieza de estímulo elevada.

Observe la luz verde encendiéndose y apagándose. Este sensor es utilizado por las pinzas durante la inicialización del experimento para posicionar correctamente la varilla rotatoria a una distancia especificada por debajo de las piezas del estímulo. Además, la activación del sensor desactiva el motor paso a paso, evitando daños en el equipo que de otro modo ocurrirían.

Si un estímulo se atasca accidentalmente en el túnel, un sensor fotoeléctrico en forma de U establece la posición inicial de la bandeja de estímulo. Este sensor se activa cuando un trozo de papel rígido pegado al borde de la bandeja giratoria interrumpe el haz infrarrojo del sensor.

Todos los movimientos de la bandeja del estímulo se calculan posteriormente en relación con esta posición inicial. Un sensor de efecto HU establece la posición inicial del actuador lineal. Aquí podemos ver que el carro del actuador avanza y la mesa giratoria se moverá cuando el carro entre en la posición inicial.

El sensor se activa; observe la luz roja encendiéndose y apagándose como característica de seguridad. Dos sensores similares. Uno de ellos mostrado aquí, establece límites para el movimiento hacia adelante y hacia atrás del carro en el improbable caso de un mal funcionamiento del actuador.

Estos sensores de límite desactivan el actuador, evitando el movimiento descontrolado del carro. Con la imposición de la mesa giratoria y la barra transversal cuidadosamente alineada, el extremo que se extiende desde el carro del actuador contacta con una barra vertical que desciende desde la varilla giratoria en el punto de pivote. Un rodamiento metálico casi libre de fricción sirve como punto de pivote y permite que la barra gire libremente.

Cuando el carro del actuador se mueve hacia adelante, las masas se insertan en una canasta de velcro que cuelga del vástago giratorio. Una vez que el brazo del sujeto esté en posición prona sobre la superficie de la mesa, coloque la almohadilla distal del dedo que se va a probar sobre un túnel en la mesa, a través del cual ascenderán las superficies del estímulo. Para contactar con la piel y prevenir movimientos laterales del dedo, coloque suavemente dos barreras recubiertas en la parte inferior con cinta de espuma de doble cara contra los lados del dedo.

Con la ayuda de una posición giratoria, coloque el sensor de fuerza suavemente contra la uña cerca de la cutícula, en un ángulo de 90 grados respecto al plano de la uña, asegurándose de que el sensor ejerza una fuerza entre 50 y 80 gramos. Esta fuerza resulta cómoda para el sujeto y proporciona al sensor una excelente sensibilidad ante los movimientos del dedo. Las abrazaderas giratorias constituyen un sistema versátil que puede utilizarse para aplicar cualquier estímulo sobre superficies cortadas en las caras de varillas de medio pulgada de diámetro.

Con fines de demostración, le mostraremos cómo se administra en nuestro laboratorio una tarea de orientación de gradación de elección forzada de dos intervalos. En nuestro laboratorio, la tarea de orientación de gradación utiliza 20 superficies estimulares con anchos de surcos que varían desde 0,25 milímetros hasta 3,1 milímetros. Cada ensayo consiste en dos presentaciones secuenciales de estímulos con surcos de igual anchura, pero con una diferencia de 90 grados en orientación. Estos se aplican en la almohadilla distal del dedo.

En una presentación, las ranuras están alineadas verticalmente o paralelas al eje largo del dedo, y en la otra, las ranuras están alineadas horizontalmente o perpendicularmente al eje largo del dedo. El orden de presentación se elige al azar. El sujeto indica si la orientación horizontal ocurrió en el primer o en el segundo intervalo, presionando uno de dos botones con la mano no evaluada: para indicar que la orientación horizontal se presentó primero, el sujeto presiona el botón de la izquierda, y para indicar que la orientación horizontal se presentó en el segundo intervalo, presiona el botón correspondiente.

En segundo lugar, el sujeto presionaría el botón de la derecha. Ahora veamos qué podría experimentar un sujeto típico durante una sesión de prueba. Deseo llamar su atención hacia las dos calificaciones mostradas en la parte superior izquierda de este ensayo.

Se tocó al sujeto en el dedo primero con las graduaciones alineadas horizontalmente y luego con las graduaciones alineadas verticalmente. En este caso, la respuesta correcta consiste en presionar el botón de la izquierda. En este ejemplo, el sujeto presiona el botón de la derecha, lo cual constituye una respuesta incorrecta.

Esto se muestra en la gráfica de rendimiento en la esquina superior derecha mediante una X roja. El siguiente ancho de ranura que se presentará es seleccionado por un algoritmo adaptativo bayesiano, que discutiremos con mayor detalle en el siguiente segmento del video. Este ensayo debería ser más fácil de realizar para el sujeto, ya que el ancho de ranura seleccionado por el algoritmo es mayor que el ancho de ranura del ensayo anterior.

Al sujeto se le presentan nuevamente dos calificaciones. En este caso, la primera calificación está alineada verticalmente y la segunda horizontalmente. Esta vez, el sujeto realiza una respuesta correcta al presionar el botón de la derecha, lo cual se indica mediante una cruz azul en la gráfica de rendimiento.

En el tercer ensayo, el ancho del grupo ha disminuido ligeramente, lo que hace que la tarea sea más difícil. Una vez más, el sujeto emite una respuesta correcta. Esta secuencia de eventos continúa hasta que se han presentado el número designado de ensayos.

Normalmente realizamos bloques de 40 ensayos para estimar la función psicométrica de cada participante. Utilizamos una versión modificada del método adaptativo bayesiano SI de Cevi y Tyler. En psicofísica, una función psicométrica relaciona un parámetro físico del estímulo, en nuestro caso el ancho de la ranura, con la probabilidad de respuesta correcta.

Siguiendo a Conserv y Tyler, modelamos D prima como una función de ley de potencia del ancho de la ranura. Esto conduce a una función psicométrica normal acumulativa definida por tres parámetros: a, B y delta A, donde el parámetro umbral es el ancho de ranura cuya orientación el sujeto puede discriminar correctamente el 76 % de las veces, lo que corresponde a un DPR de uno. En esta tarea.

Aquí puede observarse que al aumentar el valor del umbral, la curva se desplaza hacia la derecha. Al disminuir el umbral, la curva se desplaza hacia la izquierda. Los sujetos que tienen mayor habilidad en la tarea pueden discriminar la orientación de surcos más delgados, por lo que sus curvas se desplazan hacia la izquierda.

Tenga en cuenta que, aunque la curva se desplaza a lo largo de la dimensión X, ya que el valor umbral ha cambiado, la pendiente de la curva permanece igual. La pendiente de la curva está determinada por el parámetro B. Este indica qué tan rápido aumenta la curva.

La curva es suave en valores bajos de la pendiente, pero puede observarse que la curva se vuelve más pronunciada al aumentar el valor de la pendiente. Es posible que también haya notado que la curva se acerca a uno o al 100 % en anchos de ranura grandes. Esto supone que, con anchos de ranura suficientemente grandes, el sujeto siempre responderá correctamente.

En realidad, sin embargo, los sujetos a veces pierden la concentración o pueden presionar accidentalmente el botón de respuesta incorrecto. Por lo tanto, no siempre responderán correctamente, incluso cuando se les presenta un ancho de surco grande. En otras palabras, existe un límite superior para la altura de la función psicométrica, y este está determinado por el parámetro delta o tasa de lapsus.

Ahora que hemos analizado los parámetros de una función psicométrica, veamos cómo el procedimiento adaptativo bayesiano llega a una estimación de estos parámetros. Durante una sesión de prueba aquí, estoy ejecutando una simulación de un sujeto modelo que tiene un umbral de 1,75 milímetros, una pendiente de cinco y una tasa de lapsus del 4 %. La función psicométrica del sujeto está representada por la curva morada en el gráfico superior izquierdo.

Esta curva es lo que estamos tratando de estimar. El gráfico en la esquina superior derecha muestra un registro del desempeño del sujeto a lo largo de un bloque de ensayos. Como se indicó anteriormente, una X roja indica una respuesta incorrecta y una cruz azul indica una respuesta correcta.

Al comienzo del experimento, desconocemos la forma de la función psicométrica del sujeto. Expresamos esta incertidumbre considerando un rango de posibles valores de A, B y delta.

Asignamos una probabilidad previa igual a cada trío a b delta. En otras palabras, asignamos una distribución de probabilidad previa uniforme sobre varios miles de funciones psicométricas posibles. A medida que avanza el experimento, aprendemos a partir de las respuestas del sujeto que algunas de estas funciones son más probables que otras.

La incertidumbre o entropía de la distribución de probabilidad disminuye para determinar qué estímulo presentar a continuación. Después, el algoritmo calcula la entropía esperada para cada uno de los anchos de ranura tras cada ensayo completado. Esto se muestra en la gráfica inferior izquierda. El ancho de ranura con la entropía esperada más baja será presentado al sujeto.

Este ancho de surco se indica mediante una cruz blanca en el gráfico superior izquierdo. Este paso es crucial para la eficiencia del procedimiento adaptativo de bisección porque constantemente intentamos reducir la incertidumbre sobre la función psicométrica de un sujeto mediante la estimación y presentación del ancho de surco que maximice la cantidad de información obtenida. El gráfico en la esquina inferior derecha muestra la función conjunta de distribución de probabilidad a posteriori, o PDF, de los parámetros de pendiente y umbral.

En este gráfico, el blanco representa alta probabilidad y el negro representa baja probabilidad. Para elaborar este gráfico, sumamos o marginalizamos el parámetro de tasa de lapsus. Después de cada ensayo, obtenemos una estimación del umbral y del valor de la pendiente del sujeto.

El modo de este gráfico, indicado por la cruz roja, es la estimación actual más precisa del umbral y la pendiente. Utilizando estos valores, podemos trazar una estimación de la función psicométrica del sujeto. Esto se muestra mediante la curva verde en el gráfico superior izquierdo.

A medida que recopilamos más datos, nuestra estimación se perfecciona. La función de densidad de probabilidad posterior conjunta se vuelve más estrecha, lo que indica que nuestra incertidumbre sobre los valores estimados de los parámetros está disminuyendo. También puede observarse que, con más datos, la curva estimada se aproxima a la forma de la curva real.

Ahora que hemos terminado de recopilar nuestros datos, podemos obtener una estimación más precisa de nuestros parámetros. Dado que nuestra medida dependiente es un umbral, podemos marginalizar el parámetro de pendiente para obtener la estimación más exacta del parámetro de umbral. Aquí se muestra la función de densidad de probabilidad posterior del parámetro de umbral. La moda de esta función de densidad es nuestra mejor estimación del umbral del sujeto, pero existe incertidumbre respecto a esta estimación.

Esta incertidumbre se representa mediante la anchura de la curva. Cuanto más ancha sea la curva, menos seguros estaremos sobre nuestra estimación del umbral del sujeto y, por el contrario, cuanto más estrecha sea la curva, más seguros estaremos sobre nuestra estimación del umbral del sujeto. Esto concluye nuestra descripción de taps, el estimulador táctil automático pasivo para los dedos.

Esperamos que otros repitan los ensayos y contribuyan a promover el avance hacia el control de las pruebas táctiles, que en los últimos años ha mostrado progresos prometedores. No dude en contactarnos si tiene alguna pregunta adicional.