MPI Simulator CyberMotion: Implementação de um simulador de movimento Novela Caminho para Investigar Integração multisensorial em Três Dimensões

O objetivo geral do experimento a seguir é medir a navegação em caminho em três dimensões, ao mesmo tempo em que se controla a entrada sensorial visual e vestibular do participante. Isso é realizado utilizando uma cadeira robótica modificada com seis graus de liberdade, que estimula o sistema vestibular do participante sentado na cadeira. O participante observa um campo estelar virtual. Ao mover a cadeira robótica e alterar simultaneamente o campo estelar, o sistema fornece pistas visuais e vestibulares ao participante.

Os participantes fornecem feedback sobre a navegação por caminhos por meio da precisão e da velocidade com que conseguem apontar novamente para a posição inicial memorizada. Os resultados mostram que a estimativa imprecisa do movimento próprio depende do plano de movimento e do ângulo ao longo do qual são deslocados. A principal vantagem dessa técnica em relação a métodos existentes, como plataformas de movimento, é que o simulador MPI Cyber Motion possui uma área de trabalho ampla, capaz de mover observadores em diferentes dimensões, particularmente para baixo.

Este método pode responder perguntas fundamentais na área da neurociência, como se o cérebro representa igualmente o movimento próprio em diferentes dimensões. Tivemos a ideia para estes experimentos a partir de um estudo realizado por nosso colega Manuel Vidal. Ele movimentava pessoas por maças virtuais apenas com apresentação visual.

Aqui ele descobriu que a navegação espacial é prejudicada quando os MACES incluem um componente vertical. As implicações dessa técnica estendem-se ao diagnóstico da desorientação espacial, pois fornecem um padrão de referência para a navegação de trajetos no cérebro normal. O estimulador cibernético de movimento NPI consiste em um robô serial de seis juntas em uma configuração 3, 2, 1.

Baseia-se em um robô industrial com capacidade de carga de 500 quilogramas para tornar o robô seguro para experimentação. Modificações são feitas tanto no hardware quanto no software; perfis de movimento complexos que combinam movimentos laterais com rotações são possíveis. Com o simulador de movimento cibernético do MPI.

O eixo um, quatro e seis pode girar continuamente; quatro pares de limitadores mecânicos restringem o eixo dois, três e cinco em ambas as direções. A amplitude máxima de movimentos lineares depende fortemente da posição a partir da qual o movimento se inicia. Antes de realizar qualquer experimento, cada trajetória de movimento experimental deve passar por uma fase de teste.

As trajetórias são programadas utilizando um PC de escritório projetado pela KUKA para configurar o simulador de movimento cibernético do MPI. Nesta configuração em malha aberta, as trajetórias são inseridas em coordenadas cartesianas e convertidas em ângulos do espaço articular por meio da cinemática inversa a cada 12 milissegundos. As posições atuais dos ângulos articulares são transmitidas do sistema de controle para o simulador de movimento cibernético do MPI por meio de uma conexão ethernet, onde são lidas e registradas incrementalmente no disco do robô.

Um assento de carro de corrida equipado com o sistema de cinto de segurança de cinco pontos está preso a um chassi, que inclui um apoio para os pés. O chassi é montado na flange do braço robótico. Os participantes devem usar fones de ouvido com cancelamento de ruído, equipados com um microfone para comunicação bidirecional com o experimentador.

Eles também devem ser ingênuos em relação à montagem experimental. Um ruído contínuo é reproduzido pelos fones de ouvido, o que mascara o ruído do robô. Os experimentos também podem ser realizados posicionando os participantes dentro de uma cabine fechada, já que o experimento é conduzido no escuro.

Câmeras de infravermelho permitem o monitoramento visual a partir da sala de controle. Múltiplas configurações de visualização são possíveis, incluindo uma tela LCD, uma projeção frontal estéreo, uma projeção frontal mono ou um display montado na cabeça. Neste experimento, os estímulos visuais de movimento próprio são fornecidos por um display LCD, colocado a 50 centímetros à frente dos observadores para transmitir os estímulos visuais.

O software apresenta ao participante um espaço virtual de OID preenchido com 200.000 pontos. Cada ponto no espaço é desenhado como um círculo branco sobre um fundo preto. A tela exibe pontos correspondentes a ângulos visuais de 13 a 0,3 graus.

Esses pontos estão a uma distância de 0,085 e quatro unidades virtuais do participante. O movimento do campo virtual é sincronizado com o movimento físico por meio de trajetórias de movimento provenientes do computador de controle MPI para criar paralaxe entre o fluxo óptico e o movimento.

Os pontos mais profundos no campo de visão são desenhados menores, independentemente dos movimentos do participante. Cada um é exibido por dois segundos de forma assíncrona antes de ser reatribuído aleatoriamente. Assim, um total de cem mil pontos se move a cada segundo.

Um joystick personalizado equipado com botões de resposta permite que os participantes transmitam dados por conexão ethernet ao sistema de controle. As informações sensoriais podem ser manipuladas fornecendo apenas pistas visuais do campo de estrelas de vida limitada, apenas pistas cinestésicas vestibulares provenientes do movimento passivo do próprio corpo com os olhos dos participantes fechados, ou ambas as pistas com os olhos dos participantes abertos.

Neste experimento, as trajetórias de movimento consistiram em dois comprimentos de segmento. O primeiro é de 0,4 metros e o segundo é de um metro. O ângulo entre quaisquer dois segmentos de movimento é transmitido como 45 graus ou 90 graus.

Por exemplo, o movimento no plano horizontal consiste em movimento para frente e para a direita de 90 graus, movimento para a direita de 45 graus, movimento para frente de 90 graus ou movimento para a direita e para frente de 45 graus. Esses tipos de movimentos também são realizados nos planos sagital e frontal. As trajetórias são aplicadas como translações sem rotação.

Cada trajetória é seguida por uma sequência de reposicionamento, seguida por uma pausa de 15 segundos para reduzir qualquer interferência possível provocada pelo movimento anterior a cada tentativa e para garantir que o sistema vestibular seja testado a partir de um estado estável. Para fornecer um retorno sobre seu movimento percebido, os participantes movem uma seta com um joystick para indicar seu deslocamento em relação à origem. A origem é apresentada como um avatar a partir de três pontos de vista, e a seta é sempre posicionada aleatoriamente antes do ajuste, previamente às tentativas. É essencial treinar o participante para utilizar o sistema de retorno com precisão.

Eles devem ser capazes de apontar a seta para objetos em seu entorno, como o joystick repousando sobre seu colo durante o experimento. O movimento do joystick é restrito ao plano da trajetória, e os participantes podem usar qualquer ponto de vista ou todos os pontos de vista ao coletar os dados. Cada condição experimental é repetida três vezes e apresentada em ordem aleatória.

Os dados dos 16 participantes foram analisados. Pontuações extremas de outliers foram eliminadas; a modalidade e o ângulo não tiveram efeito significativo na estimativa do movimento. No entanto, os participantes subestimaram o tamanho do ângulo do movimento no plano horizontal em quase nove graus e superestimaram o tamanho do ângulo no plano frontal em cerca de cinco graus.

O fator ângulo apresentou interação significativa com o fator plano frontal, de modo que superestimativas foram maiores para movimentos de 45 graus do que para movimentos de 90 graus. Além disso, verificou-se que a modalidade interage significativamente com o ângulo, de forma que subestimativas provenientes exclusivamente de informações vestibulares para movimentos de 90 graus foram significativamente maiores em comparação com as condições visual e combinada. Tais discrepâncias estavam ausentes para movimentos de 45 graus.

Verificou-se que o tempo de resposta foi significativamente mais lento quando o feedback era fornecido apenas com base em pistas cinestésicas vestibulares, em comparação com as condições visual e combinada. Os participantes também foram significativamente mais lentos quando movidos no plano horizontal em comparação com os outros planos. Esses resultados são realmente surpreendentes, pois sugerem que a representação espacial do cérebro não é simétrica entre as dimensões.

Sabe-se há algum tempo que as pessoas tendem a subestimar seus movimentos no plano horizontal; aqui, pela primeira vez, demonstramos que esse não é o caso na dimensão vertical. No futuro, poderemos usar esses métodos para construir trajetórias em todas as três dimensões, incluindo aquelas que são curvas. Isso nos permitirá responder perguntas adicionais, como a forma pela qual o cérebro consegue integrar movimentos entre planos, bem como como realiza a navegação em curvas.