MPI CyberMotion Simulator: Implementatie van een nieuwe Motion Simulator uw zintuigen Pad Integratie Onderzoek in drie dimensies
May 10th, 2012
Een efficiënte manier om inzicht te krijgen in hoe de mens navigeert zich in drie dimensies wordt beschreven. De methode maakt gebruik van een motie simulator die in staat van bewegende waarnemers op een manier onbereikbaar door traditionele simulatoren. De resultaten bevestigen dat beweging in het horizontale vlak wordt onderschat, terwijl de verticale beweging wordt overschat.
Het algemene doel van het volgende experiment is om padnavigatie in drie dimensies te meten terwijl de visuele en vestibulaire sensorische input naar de deelnemer wordt gecontroleerd. Dit wordt bereikt met behulp van een aangepaste robotische stoel met zes vrijheidsgraden die het vestibulaire systeem stimuleert terwijl de stoel gezeten wordt. De deelnemer bekijkt een virtueel sterrenveld. Door de robotische stoel te verplaatsen en tegelijkertijd het sterrenveld te veranderen, biedt het systeem visuele en vestibulaire aanwijzingen aan de deelnemer.
De deelnemers geven feedback over padnavigatie door de nauwkeurigheid en de snelheid waarmee ze naar de herinnerde startpositie kunnen wijzen. De resultaten laten zien dat onnauwkeurige schatting van eigen beweging afhankelijk is van het bewegingsvlak en de hoek waardoor ze worden bewogen. Het grote voordeel van deze techniek boven bestaande methoden zoals bewegingsplatforms is dat de MPI Cyber Motion-simulator een grote werkruimte heeft die waarnemers in verschillende dimensies kan verplaatsen, vooral naar beneden.
Deze methode kan sleutelvragen beantwoorden op het gebied van de neurowetenschappen, zoals of de hersenen gelijkmatig eigen beweging in verschillende dimensies vertegenwoordigen. We kregen het idee voor deze experimenten van een studie van onze collega Manuel Vidal. Hij verplaatste mensen door virtuele mazen met alleen visuele presentatie.
Hier ontdekte hij dat medicijnnavigatie wordt belemmerd wanneer de MACES een verticale component bevatten. De implicaties van deze techniek strekken zich uit naar de diagnose van ruimtelijke desoriëntatie omdat ze een benchmark bieden voor padnavigatie in de normale hersenen. De NPI Cyber Motion-stimulator bestaat uit een zes gewrichts seriele robot in een 3, 2, 1 configuratie.
Het is gebaseerd op een industriële robot met een laadvermogen van 500 kilogram om de robot veilig te maken voor experimenten. Er zijn zowel aanpassingen aan de hardware als aan de softwarecomplexe bewegingsprofielen die laterale bewegingen combineren met rotaties. Met de MPI cyber motion-simulator.
As een, vier en zes kunnen continu draaien, vier paar hardware en grenzen as twee, drie en vijf in beide richtingen. Het maximale bereik van lineaire bewegingen is sterk afhankelijk van de positie van waaruit de beweging begint. Voordat experimenten worden uitgevoerd, moet elke experimentele bewegingstraject een testfase ondergaan.
Trajecten worden geprogrammeerd met behulp van een KUKA ontworpen kantoor-pc om de MPI cyber motion-simulator te configureren. In deze open loop configuratie worden trajecten in Cartesiaanse coördinaten geplaatst en worden ze om de 12 milliseconden omgezet in gewrichtsruimtehoeken door omgekeerde kinematica. De huidige gewrichtshoekposities worden vanuit het besturingssysteem naar de MPI cyber motion-simulator verzonden via een ethernetverbinding waar ze incrementeel worden gelezen en opgeslagen op de schijf op de robot.
Een raceautostoel uitgerust met het vijfpunts veiligheidsgordelsysteem is bevestigd aan een chassis, inclusief een voetsteun. Het chassis is bevestigd aan de flens van de robotarm. Deelnemers moeten ruisonderdrukkende koptelefoons dragen, uitgerust met een microfoon voor tweerichtingscommunicatie met de experimentator.
Ze zouden ook naïef moeten zijn aan de experimentele opstelling. Er wordt voortdurend ruis afgespeeld via de koptelefoons, wat de ruis van de robot maskeert. Experimenten zijn ook mogelijk door deelnemers in een gesloten cabine te laten zitten, aangezien het experiment in duisternis wordt uitgevoerd.
Infraroodcamera's maken visuele monitoring mogelijk vanuit de controlekamer. Meerdere visualisatieconfiguraties zijn mogelijk, waaronder een LCD-scherm, een stereo-voorprojectie, een mono-voorprojectie of een op het hoofd gemonteerde display. In dit experiment worden visuele aanwijzingen voor eigen beweging geboden door een LCD-scherm, geplaatst op 50 centimeter voor de waarnemers om visuele aanwijzingen te geven.
De software presenteert een virtuele OID-ruimte gevuld met 200.000 stippen aan de deelnemer. Iedereen in de ruimte wordt getekend als een witte cirkel tegen een zwarte achtergrond. Het scherm toont stippen die overeenkomen met visuele hoeken van 13 tot 0,3 graden.
Deze stippen bevinden zich op een afstand van 0,085 en vier. Virtuele eenheden van de deelnemer. Virtuele veldbeweging wordt gesynchroniseerd met fysieke beweging via bewegingstrajecten vanaf de MPI-besturingscomputer om parallax te creëren tussen optisch stromen en beweging.
De punten dieper in het gezichtsveld worden kleiner getekend, ongeacht de bewegingen van de deelnemer. Iedereen wordt gedurende twee seconden asynchrone getoond voordat deze willekeurig opnieuw wordt toegewezen. Dus beweegt een totaal van honderdduizend punten elke seconde.
Een op maat gebouwde joystick uitgerust met responsknoppen stelt deelnemers in staat om gegevens over te dragen via een ethernetverbinding naar het besturingssysteem. Sensorische informatie kan worden gemanipuleerd door alleen visuele aanwijzingen te geven vanuit het beperkte levensduur sterrenveld. Alleen vestibulaire kinetische aanwijzingen van de passieve eigen beweging met de ogen van de deelnemer gesloten, of beide aanwijzingen met de ogen van de deelnemer open.
In dit experiment bestonden bewegingstrajecten uit twee segmentlengtes. De eerste is 0,4 meter en de tweede is één meter. De hoek van elk van de twee bewegingssegmenten wordt doorgegeven als 45 graden of 90 graden.
Beweging in het horizontale vlak bestaat bijvoorbeeld uit ofwel beweging naar voren naar rechts met 90 graden naar voren, beweging naar rechts met 45 graden naar rechts, beweging naar voren met 90 graden of beweging naar rechts voorwaarts met 45 graden. Deze soorten bewegingen worden ook uitgevoerd in het sagittale en frontale vlak. Trajecten worden afgeleverde als translaties zonder rotatie.
Elke baan wordt gevolgd door een herpositioneringssequentie, gevolgd door een pauze van 15 seconden om eventuele interferentie van beweging voorafgaand aan elke proef te verminderen en om ervoor te zorgen dat het vestibulaire systeem wordt getest vanuit een stabiele toestand om feedback van hun waargenomen beweging te geven, verplaatsen deelnemers een pijl met een joystick om hun beweging ten
Overzicht
Deze studie onderzoekt hoe mensen zich in driedimensionale ruimte navigeren met behulp van een nieuwe bewegingssimulator. De bevindingen tonen aan dat horizontale beweging vaak onderschat wordt, terwijl verticale beweging overschat wordt.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Gedragspsychologie
- Bewegingssimulatie
Achtergrond
- Het begrijpen van zelfbewegingsperceptie is cruciaal in de neurowetenschap.
- Traditionele simulatoren hebben beperkingen in bewegingsrepresentatie.
- De studie bouwt voort op eerder onderzoek door Manuel Vidal.
- Ruimtelijke desoriëntatie kan navigatiecapaciteiten beïnvloeden.
Doel van het onderzoek
- Om padnavigatie in drie dimensies te meten.
- Om visuele en vestibulaire sensorische input tijdens navigatietaken te controleren.
- Om de nauwkeurigheid van zelfbewegingsschatting over verschillende vlakken te beoordelen.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een aangepaste robotieke stoel met zes vrijheidsgraden.
- Deelnemers navigeren door een virtueel sterrenveld terwijl ze in de stoel zitten.
- Feedback over padnavigatie wordt verzameld via joystickinvoer.
- Visuele en vestibulaire signalen worden gemanipuleerd tijdens proeven.
Belangrijkste resultaten
- Deelnemers vertoonden verschillende nauwkeurigheid in zelfbewegingsschatting op basis van bewegingsvlak.
- Verticale bewegingen werden consequent overschat in vergelijking met horizontale bewegingen.
- De MPI Cyber Motion simulator maakte complexe bewegingsprofielen mogelijk.
- Resultaten bieden inzichten in diagnostiek van ruimtelijke desoriëntatie.
Conclusies
- De studie biedt een nieuwe methode voor het onderzoeken van zelfbewegingsperceptie.
- De bevindingen hebben implicaties voor het begrijpen van navigatie in de hersenen.
- Deze techniek kan dienen als een benchmark voor toekomstig onderzoek in ruimtelijke oriëntatie.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of multisensory path integration in three dimensions addresses a critical gap in translational neuroscience and neurotechnology R&D. The MPI CyberMotion Simulator enables controlled isolation of visual and vestibular cues, supporting mechanistic de-risking and predictive confidence in human spatial navigation models. This capability informs early-stage target validation and benchmarking for neurocognitive and sensorimotor research portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of sensory integration mechanisms underlying spatial navigation.
- Supports functional target validation for neural pathways involved in multisensory processing.
- Facilitates mechanistic de-risking by isolating visual and vestibular contributions to path integration.
- Provides quantitative endpoints for hypothesis-driven neuroscience discovery.
Screening & Assay Development
- Delivers validated, reproducible behavioral readouts for sensory-motor integration assays.
- Standardizes measurement of navigation accuracy and response latency across sensory modalities.
- Prepares robust experimental systems for downstream compound or device screening.
- Enables scalable, cross-condition comparison of sensory manipulation effects.
Translational & Preclinical Research
- Aligns experimental outputs with translational biomarkers of spatial disorientation.
- Supports continuity from mechanistic discovery to preclinical model validation in neurocognitive research.
- Informs risk-adjusted advancement of candidate interventions targeting sensory integration deficits.
- Provides a benchmark for normal versus impaired path integration relevant to disease models.
Pipeline & Workflow Integration
The simulator integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling controlled, quantitative assessment of human spatial navigation under defined sensory conditions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on neural encoding of self-motion and dimensional asymmetry.
- Screening: Provides reproducible, quantitative behavioral endpoints for sensory integration assays.
- Analytics: Generates comparative data on navigation accuracy, angle estimation, and response time across modalities and planes.
- Translational Research: Bridges mechanistic findings to preclinical models of spatial disorientation and sensorimotor dysfunction.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for multisensory integration studies across neurotechnology and behavioral R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural models of spatial navigation and sensory integration.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible experimental workflows.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for neurocognitive target portfolios and device development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of sensory integration and spatial cognition programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroscience, robotics, and behavioral assay design.
- Demands access to advanced motion simulation hardware and synchronized visual display systems.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of trajectory programming and data collection protocols.
- Adaptation to other model systems may require hardware and software customization.
- Physical workspace and participant safety constraints must be addressed for experimental scalability.
