MPI Cyber​​Motion 시뮬레이터 : 가로, 세로, 높이로 Multisensory 경로 통합을 조사할 소설 모션 시뮬레이터의 구현

다음 실험의 전반적인 목적은 피험자에게 전달되는 시각 및 전정 감각 입력을 제어하면서 3차원 경로 탐색을 측정하는 것입니다. 이는 의자에 앉아 있는 전정 기관을 자극하는 6자유도 수정 로봇 의자를 사용하여 수행됩니다. 피험자는 가상 성단을 관찰하게 됩니다. 로봇 의자를 이동시킴과 동시에 성단을 변화시킴으로써, 시스템은 피험자에게 시각적 및 전정적 단서를 제공합니다.

참가자들은 기억된 시작 위치를 다시 가리키는 정확도와 속도를 통해 경로 탐색 피드백을 제공합니다. 결과에 따르면, 자기 운동의 부정확한 추정은 이동 평면과 이동 각도에 따라 달라집니다. 모션 플랫폼과 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 MPI Cyber Motion 시뮬레이터가 관찰자를 특히 하방을 포함하여 다양한 차원으로 이동시킬 수 있는 넓은 작업 공간을 가지고 있다는 점입니다.

이 방법은 뇌가 서로 다른 차원에서 자신의 움직임을 동일하게 표현하는지와 같은 신경과학 분야의 핵심 질문들에 답할 수 있습니다. 우리는 동료인 Manuel Vidal의 연구에서 이 실험에 대한 아이디어를 얻었습니다. 그는 시각적 제시만으로 사람들이 가상 미로를 통과하게 했습니다.

그는 MACES에 수직 성분이 포함될 때 약물 항법 능력이 저하된다는 것을 발견했습니다. 이 기술의 함의는 정상 뇌의 경로 항법에 대한 기준점을 제공하므로 공간 정위 상실의 진단으로 확장됩니다. NPI Cyber motion stimulator는 3, 2, 1 구성의 6축 직렬 로봇으로 이루어져 있습니다.

실험의 안전성을 확보하기 위해 500 kg의 가동 하중을 가진 산업용 로봇을 기반으로 제작하였습니다. 하드웨어와 소프트웨어 모두에 수정이 가해졌으며, MPI 사이버 모션 시뮬레이터를 통해 측면 이동과 회전이 결합된 복잡한 모션 프로파일을 구현할 수 있습니다.

1번, 4번, 6번 축은 연속적으로 회전할 수 있으며, 2번, 3번, 5번 축은 4쌍의 하드웨어 및 스토퍼에 의해 양방향으로 이동 범위가 제한됩니다. 선형 이동의 최대 범위는 이동이 시작되는 위치에 따라 크게 달라집니다. 모든 실험을 수행하기 전, 각 실험 동작 궤적에 대해 테스트 단계를 거쳐야 합니다.

궤적은 MPI 사이버 모션 시뮬레이터를 구성하기 위해 KUKA에서 설계한 사무용 PC를 사용하여 프로그래밍됩니다. 이 개루프 구성에서 궤적은 데카르트 좌표계로 입력되며, 12밀리초마다 역기구학을 통해 관절 공간 각도로 변환됩니다. 현재의 관절 각도 위치는 제어 시스템에서 이더넷 연결을 통해 MPI 사이버 모션 시뮬레이터로 전송되며, 여기서 점진적으로 읽혀 로봇의 디스크에 기록됩니다.

5점식 안전벨트 시스템이 장착된 레이싱카 시트가 발 받침대가 포함된 섀시에 부착되어 있습니다. 이 섀시는 로봇 팔의 플랜지에 장착됩니다. 참가자는 실험자와의 양방향 통신을 위한 마이크가 장착된 노이즈 캔슬링 헤드폰을 착용해야 합니다.

또한 피험자들은 실험 설정에 대해 알지 못하는 상태여야 합니다. 로봇의 소음을 차단하기 위해 헤드폰을 통해 지속적인 소음이 재생됩니다. 실험은 어두운 환경에서 진행되므로, 피험자를 밀폐된 캐빈 안에 앉힌 상태로 진행하는 것도 가능합니다.

적외선 카메라를 통해 제어실에서 시각적 모니터링이 가능합니다. LCD 화면, 스테레오 전면 투사, 모노 전면 투사 또는 헤드 마운트 디스플레이를 포함한 다양한 시각화 구성이 가능합니다. 본 실험에서는 관찰자 전방 50 centimeters 지점에 LCD 디스플레이를 배치하여 자기 운동에 대한 시각적 단서를 제공합니다.

해당 소프트웨어는 참가자에게 200,000개의 점으로 채워진 가상 OID 공간을 제시합니다. 공간 내의 각 점은 검은색 배경의 흰색 원으로 그려집니다. 화면에는 13도에서 0.3도의 시각각에 해당하는 점들이 표시됩니다.

이 점들은 참가자로부터 0.085 및 4 가상 단위의 거리에 위치합니다. 가상 시야의 움직임은 MPI 제어 컴퓨터의 운동 궤적을 통해 물리적 움직임과 동기화되어, 광학적 흐름과 움직임 사이에 시차를 생성합니다.

시야의 더 깊은 곳에 위치한 점들은 참가자의 움직임과 관계없이 더 작게 그려집니다. 각 점은 무작위로 다시 할당되기 전 2초 동안 비동기적으로 표시됩니다. 따라서 매초 총 10만 개의 점이 이동합니다.

응답 버튼이 장착된 맞춤 제작 조이스틱을 통해 참가자는 이더넷 연결로 제어 시스템에 데이터를 전송할 수 있습니다. 제한된 수명의 성단 배경에서 시각적 단서만 제공하거나, 참가자가 눈을 감은 상태에서 수동적 자가 운동을 통한 전정 운동감각 단서만 제공하거나, 또는 참가자가 눈을 뜬 상태에서 두 단서를 모두 제공함으로써 감각 정보를 조작할 수 있습니다.

본 실험에서 이동 궤적은 두 개의 세그먼트 길이로 구성되었습니다. 첫 번째는 0.4 meters이며, 두 번째는 one meter입니다. 두 이동 세그먼트 사이의 각도는 45 degrees 또는 90 degrees로 전달됩니다.

예를 들어, 수평면에서의 움직임은 90도 전방으로의 전방 우측 이동, 45도 우측으로의 우측 이동, 90도 전방으로의 전방 이동, 또는 45도 전방으로의 우측 전방 이동으로 구성됩니다. 이러한 유형의 움직임은 시상면과 관상면에서도 수행됩니다. 궤적은 회전 없이 병진 이동으로 제공됩니다.

각 궤적 추적 후에는 재배치 시퀀스가 이어지며, 이후 15초간의 휴지기를 가져 각 시행 전 발생할 수 있는 움직임의 간섭을 줄입니다. 또한, 전정 기관이 안정 상태에서 테스트되어 인지된 움직임에 대한 피드백을 제공할 수 있도록 합니다. 참가자는 조이스틱으로 화살표를 움직여 자신의 시작점 기준 상대적 움직임을 나타냅니다. 시작점은 세 가지 관점의 아바타로 제시되며, 화살표는 시행 전 조정을 위해 항상 무작위 위치에 배치됩니다. 참가자가 피드백 시스템을 정확하게 사용하도록 훈련시키는 것이 매우 중요합니다.

피험자는 실험 중에 무릎 위에 놓인 조이스틱과 같이 주변에 있는 물체를 화살표로 가리킬 수 있어야 합니다. 조이스틱의 움직임은 궤적 평면으로 제한되며, 피험자는 데이터 수집 시 어떤 관점이든 또는 모든 관점을 사용할 수 있습니다. 각 실험 조건은 3회 반복되며 무작위 순서로 제시됩니다.

16명 참여자의 데이터를 분석하였습니다. 극단적인 이상치 점수는 제외되었으며, 양식과 각도는 추정된 움직임에 유의미한 영향을 미치지 않았습니다. 그러나 참여자들은 수평면에서의 움직임 각도 크기를 거의 9° 낮게 추정했고, 관상면에서의 각도 크기는 약 5° 높게 추정했습니다.

각도 요인이 전두면 요인과 유의미한 상호작용을 보이는 것으로 나타났으며, 90도 이동보다 45도 이동에서 과대평가 정도가 더 컸습니다. 또한, 양식(modality)이 각도와 유의미한 상호작용을 하는 것으로 나타났는데, 90도 이동 시 전정 정보만으로 인한 과소평가가 시각 및 결합 조건에 비해 유의미하게 더 컸습니다. 이러한 차이는 45도 이동에서는 나타나지 않았습니다.

시각적 단서 및 복합 조건과 비교했을 때, 전정 운동감각 단서만으로 피드백이 제공되었을 때 반응 시간이 유의미하게 더 느린 것으로 나타났습니다. 또한 참가자들은 다른 평면에 비해 수평면에서 이동했을 때 반응 속도가 유의미하게 더 느렸습니다. 이러한 결과는 뇌의 공간 표상이 차원에 따라 대칭적이지 않음을 시사한다는 점에서 매우 놀랍습니다.

사람들이 수평면에서의 움직임을 과소평가하는 경향이 있다는 사실은 이미 알려져 있었으나, 이번에 처음으로 수직 차원에서는 그렇지 않다는 것을 보여주었습니다. 향후에는 이러한 방법들을 사용하여 곡선을 포함한 3차원 전체의 경로를 구축할 수 있을 것입니다. 이를 통해 뇌가 어떻게 여러 평면 간의 움직임을 통합하는지, 그리고 회전 시 어떻게 탐색하는지와 같은 추가적인 질문들에 답할 수 있게 될 것입니다.