Summary
Здесь мы представляем протокол, который характеризует чувство агентства разработали контроля над чувственных виртуальный или роботизированной протеза руки. Психофизической вопросники используются для захвата явные опыт Агентства, и рассчитанное время интервала (преднамеренного привязки) работают косвенно измерить чувство агентства.
Abstract
Эта работа описывает методологической основы, которая может использоваться для явно и неявно характеризуют чувство агентства разработали нейронные машинного интерфейса (NMI) контроля над чувственных виртуальный или роботизированной протеза руки. Создание агентства является основополагающим в отличительный действия, которые мы проводим с нашими конечностей, как наши собственные. Стремясь включить расширенные протезы верхних конечностей в эти же механизмы восприятия, мы можем начать более тесно интегрировать протеза пользователя существующих когнитивной основы для контроля конечности. Это имеет важные последствия в продвижении приемочного, использования и эффективного контроля над передовых протезы верхних конечностей. В этом протоколе участники контролировать виртуальный протезы рук и получать кинестетические сенсорной обратной связи через их существующих НМИ. Ряд виртуальных схватив задач выполняются и возмущения систематически вводятся кинестетические обратной связи и движений виртуальных рук. Две отдельные меры Агентства работают: создана психофизических анкеты (для захвата явные опыт агентства) и интервал времени оценить задача захватить неявные чувство агентства (преднамеренного привязки). Результаты этого протокола (результаты вопросника и интервал времени оценкам) могут быть проанализированы для количественной оценки степени образования Агентства.
Introduction
Как робот протезы становятся все более передовые, важность соответствующих сенсорной обратной связи будет продолжать расти. Сенсорной обратной связи влияет, как люди воспринимают, взаимодействовать с и даже интегрировать их тела схемы машин. Последние методы NMI теперь можно предоставлять пользователям протеза с интуитивным управлением и достичь ощущения, связанные с touch1,2,3,4,5,6 , 7 и Кинестезии (движение смысл)8,9 в недостающие конечности. Когда этот сенсорной информации в паре с визуальной информации, представленной наблюдая искусственной конечности во время операции, у нас есть доступ к ключевым элементам, которые информируют различие self -против-другие. Используя этот доступ может помочь принести протеза пользователей на шаг ближе к эксплуатации искусственных конечностей как часть их тела, а не просто инструмент.
Осознание тела и чувство что воплощенные возникает с момента создания агентства (опыт авторства над действиями конечностей) и собственности (ощущение, что конечности является частью тела)10,11. Собственности главным образом опосредованное через интеграцию touch и визуальной информации12. Агентство вытекает из интеграции намерениях, ощущение движения (Кинестезии), визуальной информации и прогнозирования когнитивные модели11. Во время выполнения добровольных действий агентство образуется, когда сенсорные последствия этого действия выровнять с намерением исполнителя и прогнозы от исполнителя внутренние модели13. Агентство является отдельно и независимо от права собственности. Концепция собственности конечностей была изучена часто в протезировании литература14. Чувство конечности форм собственности в НМИ участников при пространственном и временном отношении уместно, как измеренных явно через вопросники или неявно через изменения в температуре культи, или временных решений15сенсорного. Однако существовали меньше возможностей для изучения Агентства в контексте NMI16. Последние работы с участниками NMI продемонстрировал, что Агентство может осуществляться целенаправленно и отдельно от опыт владения8.
Агентство является особенно важное значение для функционирования роботизированных протезов, как это когнитивные ссылку контроля над искусственной конечности физические действия через опыт причинности, чувство контроля протез или что-то произойти17. Робототехнические протезы являются передовыми компьютеризированной машин, которые пользователь должен сотрудничать с для эффективного выполнения задач. Некоторые протезами конечностей включили автономных функций, таких как сцепление скольжения обнаружения и коррекции; пока эти системы видели ограниченное принятие как функциональность, работающей вне контроля пользователя может рассматриваться как разочарование, если не надлежащим образом выполнены8,18. Это представляет серьезный вызов, который повторяется на протяжении всего приложения человеческого сотрудничества с автономной машины. То есть люди часто доверять свои действия над теми результатом сотрудничества с компьютерами или машины, и это доверие непосредственно влияет на вероятность оператор для использования в автономных функций19,20. Как люди мы врожденной доверять себе и наши тела, выполнять действия, которые мы намерены; когда это будет достигнуто, мы устанавливаем внутренне чувство агентства. Интересно, что формирование агентства разорвались в совместных действиях человека компьютер. Во время совместных задач человека общее чувство агентства могут быть сформированы на движение21; Тем не менее литературы свидетельствует о том, что общего агентства заполнены во время сотрудничества человека компьютер22,23. Эти проблемы отражены в использования протезов верхних конечностей, и неприятие показатели роботизированных устройств остаются высокими, с 23% - 39% пользователей, прекращения их использования24. В самом деле многие пользователи протеза по-прежнему предпочитают тела питание системы25. Эти системы удалите компьютеризированная машина из цикла управления и более тесно пара движение тела пользователя для протеза движение через кабели провода. Это еще больше усиливает важность когнитивной интеграции в использовании современных протезов. Мы предлагаем что НМИ систем может обеспечить ряд необходимых сенсорных и моторных частей чтобы помочь двигаться протезов ближе к созданию совместных чувство агентства, и это будет сыграть важную роль в содействии принятию и подлинной интеграции этих компьютеризированные машины с их пользователями.
Агентство может измеряться несколькими способами. Простейших мер использование психофизического вопросники или шкалы, что явно попросите участников кого или чего они приписывают событий17,,2627. Это основывается на существующих восприятие индивида «самоуправления», требуя от участников сделать логически выведенная суждения о самостоятельной атрибуции (то есть, явно судить ли «Я» или другой орган несет ответственность за действие или событие). Неявные меры обеспечивают проницательность в фоновом режиме когнитивных процессов, которые происходят во время действий моторных и сенсорных событий. Это мнение Агентства попытки измерить то, что явно не воспринимается индивидуума. Обычно это достигается путем иметь участники характеризуют воспринимается разница в себя и внешне сформированные действия, например наличие участников доклад продолжительность времени, которое они, как считается, происходят между самоуправления и внешне генерируемые события 17 , 28. во время выступления самостоятельно генерируемые действиями, Агентство неявно проявляется как перцептивные сжатие времени между действиями и их сенсорные последствия, известный как преднамеренное привязки28. Когда люди сообщают время, которое они, как считается, происходят между действия и его результаты, короче предполагаемой продолжительности времени соответствует более сильно сформированный чувство агентства29,30. Интересно, что было продемонстрировано, что явные и неявные меры, не могут непосредственно коррелируют как они вероятно характеризующих различные механизмы восприятия17 вместе информировать чувство агентства. Таким образом создание более полное понимание формирования агентства во время использования протеза скорее всего потребует экспериментальные протоколы, используя явные и неявные меры.
Эта работа описывает методологической основы, которая может использоваться для явно и неявно характеризуют чувство Агентства за управление NMI чувственных виртуальный или роботизированной протезы рук. Выделяются два методы для измерения агентства при выполнении сенсомоторной схватив объект задачи. Установленным психофизических вопросники используются захватить явные опыт Агентства, в то время как время интервал оценки (преднамеренного привязки) работают косвенно измерить чувство агентства.
Сфера охвата этого протокола заключается в оценке чувство Агентства в контексте NMI, который обеспечивает физиологически соответствующих активного управления двигателем и кинестетические обратной связи. Эти методы являются обобщаемым виртуальный или физический протезов НМИ систем. Существуют минимальные ограничения для населения, которые могут быть наняты для выполнения настоящего Протокола. Например, мобильность участника верхних конечностей не могут быть затронуты на двусторонней основе (они должны иметь один звук конечностей), и они должны обладать когнитивные способности делать суждения, основанные на времени и сформулировать опытных ощущений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Этот протокол был утвержден ранее и соответствует руководящим принципам Комитета по этике исследований человеческого Кливлендская клиника.
1. аппаратное и программное обеспечение NMI
- Создание каждого отдельного участника управление NMI и обратной связи, так что когда они пытаются выполнить движение, они видят и чувствуют виртуальный протез полный движения.
- Генерировать кинестетические перцепции руку через участника NMI и захватить кинематика движения воспринимается, имея участник продемонстрировать, что они чувствуют, использование их нетронутой рукой.
Примечание: Методы характеризовать кинестетические перцепции кинематики показали в других работ8 и может быть достигнуто с помощью данных перчатки или оптический движения захвата системы. - Используйте виртуальный руку/протезов имитирует воспроизвести кинематика движения перцепции.
- Настройка оборудования для захвата преднамеренного ручные сигналы управления движением от участника NMI.
- Сопоставьте этот сигнал управления деятельности виртуального протеза.
- Создайте программу управления master, которая координирует приобретение управляющего сигнала NMI, движение виртуального протез и кинестетические NMI обратной связи в режиме реального времени.
- Генерировать кинестетические перцепции руку через участника NMI и захватить кинематика движения воспринимается, имея участник продемонстрировать, что они чувствуют, использование их нетронутой рукой.
2. экспериментальные установки
- Сиденье участник и расположите монитор горизонтально (то есть, на его спине, вверх) на столе перед ними.
- Отображение виртуальных протез на мониторе и отрегулировать его размер и расположение, так что он позиционируется конгруэнтно с расположением их недостающие конечности.
- Визуализация объектов (например, Плавающие шары) в виртуальной среде в качестве точки останова для тесного и открытые позиции руки (конечные движения).
- Настроить программу мастер управления так, что когда виртуальные цифры делают контакт с точками виртуальных стоп, слуховой тон играет после регулируемое время задержки (300, 500, 700 или 1000 мс).
3. экспериментальные условия
- Создание входного файла для программы управления master, которая указывает параметры для каждого судебного разбирательства, включая задержка слуховой тон, ли обратная связь NMI включен вкл/выкл, скорость и направление движения виртуальных рук, и задержка между командой и виртуальный руки движения.
- Создайте два элемента управления условий, базового и пассивного состояния.
- Для исходного состояния настройте кинематики и управления виртуального руку, чтобы соответствовать кинестетические перцепции NMI.
Примечание: Базового условие представляет идеальный нежелательному мотор намерения, кинематика движения и кинестетические обратной связи. - Программа пассивного состояния для выполнения виртуального руки движение при срабатывании следователем (удаление элемент управления от пользователя) обеспечивая участник с кинестетической перцепции NMI.
Примечание: Состояние пассивного захватывает теоретические наихудшего агентства условий (т.е., движение в отсутствие контроля [без намерения], похожие на свое тело перемещается пассивно).
- Для исходного состояния настройте кинематики и управления виртуального руку, чтобы соответствовать кинестетические перцепции NMI.
- Дополнительные условия программы предназначены для разбора, вклад Агентства в мотор намерения, кинестетические ощущения и временное несоответствие с отображаемой кинематики виртуального протез. Рассмотрите возможность использования следующих пяти условий.
- Напротив движение: NMI кинестетические обратной связи указывает, что рука закрывается, а рука визуализации открывает.
- Слишком быстро: Визуализация рука закрывает быстрее, чем указано NMI кинестетические обратной связи.
- Слишком медленно: Визуализация рука закрывает медленнее, чем указано NMI кинестетические обратной связи.
- Начала задержки: рука визуализации закрывает 1 s позже, чем указано NMI кинестетические обратной связи.
- Нет обратной связи: Визуализация руки закрывается без каких-либо NMI кинестетические обратной связи.
- Создайте два элемента управления условий, базового и пассивного состояния.
4. Выполнение эксперимента
- Проинструктируйте участников диск руки от открытого в закрытое положение без остановки и сообщить их оценки время задержки от когда виртуальные цифры связался с точками виртуальных стоп когда они услышали слуховой тон.
Примечание: Участники могут использовать любое представление времени между 0 и 1 s, что делает большинство смысл для них (например, в миллисекундах, доли секунды, 0 - 10 масштаба). - Начало каждого судебного разбирательства, нажав кнопку Пуск по программе мастер управления, которая движется виртуальный руку в исходное положение, сигнализация начала судебного разбирательства. Это сигналы участник управлять виртуальный руку к точки виртуального стопа, который вызывает слуховой тон играть после рандомизированных задержки (300, 500 или 700 МС).
- Запись участника устно сообщил оценки интервала задержки времени.
- Организация испытаний на экспериментальных блоков.
- Начать с двух тренировок и исключить их из окончательного анализа.
- В первой сессии практику участник диск руку к конечной точке движения и играть слуховой тон 1000 мс после того, как виртуальный цифры достигают виртуальный стоп очков за 10 испытаний.
- Участники не должны сообщать предполагаемое интервалы для этого практического занятия.
Примечание: Этот шаг необходим для ориентации участников как долго один второй чувствует.
- Участники не должны сообщать предполагаемое интервалы для этого практического занятия.
- Во второй сессии практику опять же, иметь участник привод руку к конечной точке движения. Рандомизировать слуховые сигналы так, что 300, 500 и 700 МС задержку интервалов представлены по крайней мере 5 x каждый.
- Попросите участников сообщить предполагаемое задержку интервалов.
- Не сообщить участник как их оценки интервалов задержки близки к фактическим задержки во время этих испытаний практики или последующих судебных разбирательств в блоке экспериментальной.
Примечание: Этот шаг имеет важное значение, как участники, вероятно, будет неопытный в принятии время суждений в масштабе доли секунды, и процедура проверки не может быть интуитивно участнику стран тест.
- В первой сессии практику участник диск руку к конечной точке движения и играть слуховой тон 1000 мс после того, как виртуальный цифры достигают виртуальный стоп очков за 10 испытаний.
- Перейти к экспериментальной наборы 15 испытаний для каждого условия. Условия в рандомизированных порядок и администрировать вопросник в конце каждого состояния.
- Поручить участникам задуматься над последний набор судебных разбирательств и заполнить анкету восемь заявление Агентства (включает в себя четыре вопроса для количественного определения явных опыт Агентства и четыре элемента управления вопросы [примера, приведенного в Дополнительный файл])8,26.
- Случайном порядке заявления вопросник предоставлять по крайней мере пять уникальных вопрос заказы случайным образом представляться участникам.
- Поручить участникам задуматься над последний набор судебных разбирательств и заполнить анкету восемь заявление Агентства (включает в себя четыре вопроса для количественного определения явных опыт Агентства и четыре элемента управления вопросы [примера, приведенного в Дополнительный файл])8,26.
- Конец экспериментальной блок с набором 15 испытаний для пассивного состояния и управлять вопросник после завершения этих испытаний.
Примечание: Администрирование пассивной испытания в конце каждого экспериментального блока, чтобы избежать вмешательства с чувством агентства.
- Начать с двух тренировок и исключить их из окончательного анализа.
- Выполните четыре экспериментальные блоки с различными рандомизированных заказы экспериментальных условиях.
- Предоставляют множество возможностей на протяжении тестирования для участников взять перерыв. Существует нет минимального времени или ограничение по времени для этих перерывов, но убедитесь, что участник не является физически или умственно усталость до продолжения испытаний.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Экспериментальный протокол была выполнена с тремя участниками лиц с ампутированными конечностями, действующих чувственных виртуальный протез через их дальность8 (рис. 1). Установка используется участник контролируемый виртуальный руку через предварительно запрограммированных кинематической профили с помощью MuJoCo HAPTIX физика двигатель31. Виртуальный рука была отображаются на горизонтальной монитор перед участниками на месте пространственно совпадают с их недостающие конечности. НМИ-участников ранее прошли хирургическая процедура нейронных rewiring (целевых Реиннервация), который был в сочетании с стандартным протеза Электрокисти стратегий контроля (ГРП) обеспечить интуитивное управление виртуальной руки32; Таким образом участники могли привод виртуальный руку «думать» о открытия и закрытия их хватает рук. Стратегическое вибрации участников хирургически перемонтирован мышц индуцированной иллюзорного восприятия движения рук, предоставляя платформу для8кинестетические сенсорной обратной связи. Посредством заказного программного обеспечения ГРП руку сигналов управления и визуализации виртуальных протезы были интегрированы с вывода на устройство вибрации обратной связи. Когда участник инициировал движение отображаются виртуальные руки, вибрация побудит соответствующие соответствует ощущение сложной захват движения в недостающие рука.
Рисунок 1: пример установки, который удовлетворяет требованиям характеризовать агентства. Эта установка обеспечивает пользователю интуитивное управление и кинестетические обратной связи отображаются виртуальные руки. Виртуальный ручного управления и обратной связи достигаются за счет нейронные машинного интерфейса, с помощью Электрокисти управления и вибрации стимуляции (вызывая иллюзией движения основывались недостающие конечности) инвалиды reinnervated мускулатура. Контроля и обратной связи координируются через системы сбора данных и компьютер под управлением специализированного программного обеспечения. Кинематика виртуальных рук отображаются на горизонтальной монитора пользователя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2A предоставляется для сравнения явных мер агентства под каждое из условий обратной связи. Здесь средний балл за четыре агентства вопросы (и четыре вопросы управления), выводятся для каждого участника и от состояния каждой обратной связи. Рисунок 2Bэтих отдельных участников оценки в среднем и печать для каждого условия обратной связи с погрешностей, представляющих средний стандартное отклонение. Средний рейтинг больше 1 указывает соглашение с данное заявление и 0 указывает нейтралитет соглашения26. Высокие рейтинги соглашения (≥ 1) на вопросы агентства свидетельствуют о большей опыт Агентства. Ответы на вопросы управления должно быть отрицательным или нейтральные (≤ 0) и оценка между 0 и 1 берется как безрезультатно. «Базовый», «слишком fast» и «нет обратной связи» условие продемонстрировал низкий средний интервал оценкам, указывающее сформирован сильным чувством агентства, тогда как «пассивный» и «напротив движение» условия продемонстрировали слабое чувство агентства.
Рисунок 2: явные меры Агентства при каждой обратной связи условии. (A) средний балл по четыре агентства и четыре элемента управления вопросы, предоставляемых каждому участнику при условии каждой обратной связи. (B) средний баллы участников под каждое условие обратной связи. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. В обоих участках, средний рейтинг более чем на + 1 указывает соглашение и, на вопросы агентства, формирования агентства, в то время как 0 указывает нейтралитета. Эта цифра была изменена от Мараско и др. 8. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Для сравнения преднамеренного привязки в каждом состоянии обратной связи, показано на рисунке 3A интервал времени оценки для каждого участника, составляет в среднем по условию обратной связи. Различия между фактической и субъективно временные интервалы были затем в среднем трех участников и представлены на рисунке 3B относительно базового условие обратной связи. Планки погрешностей обозначают средний стандартное отклонение. Нижний интервал времени оценки (Рисунок 3А) и большие отрицательные различия (рис. 3B) являются признаком более сильное чувство неявные агентства. Состояние «слишком быстро» следуют исходного состояния продемонстрировал низкий средний интервал оценкам, указанием сильных чувство агентства сформирована, тогда как состояние «напротив движение» продемонстрировали слабое чувство агентства.
Рисунок 3: Неявные меры Агентства через время интервала сметы по каждой обратной связи состояние. (A) средний интервал сметы для интервала задержки между завершением виртуальный руки близко и слуховой тон, построенной для каждого участника в каждой случайно представлены фактические интервала. Результаты выводятся для каждого условия обратной связи, и Нижняя расчетное время указывает на сильное чувство агентства. Эти панели были изменены от Мараско и др. 8. (B) средняя разность (через участников и интервалов задержки) фактическое время задержки и участника оценкам интервал времени относительно базового условие обратной связи. Результаты выводятся для обоих. Здесь более отрицательное значение указывает на более сильное чувство средняя агентства, и обозначает CI, 95% доверительный интервал (ди). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 позволяет для сравнения агентство явных и неявных мер. Средняя разница между фактической и субъективно временных интервалов, выводятся относительно результатов исходного состояния обратной связи и относительно усредненной агентство оценки вопросник для каждого условия обратной связи. В этой презентации данных перемещение слева направо по оси x указывает на снижение в явной опыт Агентства и переход от дна к верхней на оси y указывает на снижение в неявной смысле агентства. Как показано на рисунке 2 и на рисунке 3«слишком быстро» условие продемонстрировал сильнейших формирования агентства, как явно, так и неявно.
Рисунок 4: средняя явные и неявные меры Агентства для каждого обратной связи условия, объединив результаты, представленные в рисунок 2B и рисунок 3B. Средняя явные агентства результаты выводятся на оси x и средний интервал оценки выводятся на оси y. Планки погрешностей обозначения стандартное отклонение. Перемещение слева на право на оси x указывает на снижение в явной опыт Агентства, и переход от дна вверх на оси y указывает на снижение в неявной смысле агентства. Эта цифра была изменена от Мараско и др. 8. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Представлены методологические рамки охарактеризовать опыт Агентства, образующихся при эксплуатации чувственных протезы через НМИ. В этом контексте Агентство особенно важна как мосты физических действий на фоне когнитивных процессов, влияющих на восприятие. Через участника протеза и NMI, у нас есть прямой доступ к ряду ключевых элементов, которые создают чувство агентства: намерение, мощность двигателя и ощущение движения. Важное значение для современных протезов конечностей управления, средства, предоставляемые в этой работе использовать этот прямой доступ, чтобы помочь разблокировать понимание как эти элементы могут способствовать пользователя чувство контроля над и когнитивной интеграции, действия их протез.
Выделены методы являются гибкими в том, что они могут быть использованы с любой NMI научно -Клиническая ортопедическая система, при условии, что они отвечают критериям для перцептивно соответствующие управления в реальном времени и кинестетические обратной связи. Преимуществом присущей многим НМИ является потенциал для интуитивного управления достичь используя нервные пути, которые остаются postamputation. Это позволяет для измерения остаточного физиологической активности, что как только сопровождал нетронутыми конечностей движения, которые могут, в свою очередь, декодировать и сопоставлены соответствующие виртуальные или протезов конечностей движения. Таким образом, большинство методов НМИ должны удовлетворять требованию, перцептивно соответствующего контроля, условии, что записанные нейронной активности и сопровождающих цифровой интерфейс может производить надежные выходные сигналы, которые могут быть надлежащим образом сопоставлены виртуальный рука. Экспериментальная установка также требует системы, обеспечивающей следователям возможность активно инициировать кинестетические ощущения в режиме реального времени с кинематикой отображаются виртуальные руку. Это важнейшим требованием, как чувство агентства над движениями устанавливается, когда мы участвуем в действие и во время завершения этого действия13возвращается соответствующий сенсорной обратной связи. Опять же до тех пор, как этот критерий, большинство любой NMI кинестетические обратной связи система будет соответствующий.
Представленные здесь методики имеют преимущество оценки явные и неявные когнитивных перцептивных меры Агентства. Есть основания полагать, что каждый может быть результатом отдельных когнитивных механизмов, которые вместе образуют полное чувство агентства17; Однако до сих пор не существует полного понимания этой взаимосвязи. Результаты этих мер количественного и легко интерпретировать. Уменьшение времени интервала оценки предполагают, что чувство сильнее неявные агентства была сформирована. Аналогичным образом высокие баллы вопросника на агентство заявления указывают сильнее явной опыт Агентства. Предполагается, что эти количественные значения могут служить основой для оценки и настраивать управление NMI и сенсорной обратной связи. Например в предыдущей работы8 , который сообщается здесь на рисунке 4, участники часто сообщил меньше воспринимается временных интервалов а явно сильнее воспринимается агентства при отображении виртуальный руку, слегка быстрее закрыты чем кинестетические ощущения они испытали. Это означает, что пользователь чувствовал сильное чувство контроля над действиями руки, как явно, но также предполагает, что когнитивные процессы, которые устанавливают это чувство контроля более решительно связать с этим быстрее кинематической дисплеем. Таким образом корректировка схемы управления NMI клинических протеза для размещения быстрее руку закрытия может помочь улучшить восприятие пользователя контроля над их физическое устройство и поощрять пользователей для определения их устройства действия как самостоятельно.
Может также использоваться методы, представленные в форме более полного понимания как несколько сенсорных механизмов могут влиять представления о собственности над искусственной конечности. К примеру коснитесь сенсорной обратной связи (или других сенсорных методов) могут быть включены в парадигме, представленные здесь, чтобы оценить их возможные отдельных ролей в потенцирования чувство агентства. Кроме того представленные здесь методики могут быть в паре с меры собственности более полно охарактеризовать взаимосвязи между Агентством, воплощение и отдельных сенсорных методов. Методы, предоставляемые могут также иметь широкую сферу применения за пределами контролируемой NMI устройств. Аналогичные экспериментальные задачи могут быть реализованы с сложных систем управления (например, Электрокисти распознавание), традиционные миоэлектрических протезов и тело питание системы, а также систем без NMI сенсорной обратной связи. Это может позволить уникальную перспективу в понимании как когнитивные процессы реагировать менее «природных» парадигмы контроля и обратной связи и обеспечить понимание как могут выступать агентства и представления элемента управления во время операции более традиционных исследований или Клинические системы протезов.
Как робот протезы становятся все более изощренными, так что тоже делает необходимость эффективного управления и когнитивные интеграции этих устройств. Ощущение, это путь к решению ряда критических препятствий, и будучи в состоянии оценить основу механизмы, которые обрабатывают ощущение движения и информация является важной характеристикой. Средства, предоставляемые здесь может помочь облегчить интеграцию устройств с пользователями, характеризующие явные и неявные формирования агентства. Эти методы помогают определить преимущества врожденной доступа для интуитивного управления двигателем и ощущение что НМИ могут предоставлять и может предложить платформу для оценки и тюнинг, в конечном итоге улучшить восприятие пользователя контроля их искусственного конечности.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Madeline Newcomb за ее вклад в рисунке поколения. Эта работа финансировалась за счет налогоплательщиков США через низ, Канцелярии директора, Общий фонд, преобразующей R01 исследований премии (Грант #1R01NS081710-01) и обороны перспективных исследований проекты агентства (контракт количество N66001-15-C-4015 под эгидой Биология технологии офис менеджер программы D. Вебер).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LabVIEW 2015, Service Pack 1, Version 15.0.1f2 64-bit | National Instruments, Austin, TX, USA | Full or Pro Version | We wrote custom software in LabVIEW to coordinate virtual prosthesis control with kinesthetic feedback as well as to present experimental conditions and record data. |
| 8-Slot, USB CompactDAQ Chassis | National Instruments, Austin, TX, USA | cDAQ-9178 | |
| ±60 V, 800 kS/s, 12-Bit, 8-Channel C Series Voltage Input Module | National Instruments, Austin, TX, USA | NI-9221 | |
| 100 kS/s/ch Simultaneous, ±10 V, 4-Channel C Series Voltage Output Module | National Instruments, Austin, TX, USA | NI-9263 | |
| Custom Wearable Kinesthetic Tactor | HDT Global, Solon, OH, USA | N/A | This item was custom made. Other methods of delivering kinesthetic feedback are acceptable as long as the participant feels the sensation of the hand moving in real-time with the movements of the virtual hand. |
| MuJoCo Physics Engine, HAPTIX Version | Roboti LLC, Redmond, WA, USA | mjhaptix150 | Newer versions of MuJoCo should be acceptable as well. We used the MPL Gripper Model. |
| Myobock Electrodes, powered by Otto Bock EnergyPack in MyoBoy Battery Receptacle | Ottobock, Duderstadt, Germany | electrodes: 13E200=60 battery: 757B21 battery receptacle: 757Z191=2 |
Any setup that provides an amplified, filtered, and rectified EMG or neural control signal could be used. |
References
- Kuiken, T. A., Marasco, P. D., Lock, B. A., Harden, R. N., Dewald, J. P. A. Redirection of cutaneous sensation from the hand to the chest skin of human amputees with targeted reinnervation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (50), 20061-20066 (2007).
- Hebert, J. S., et al. Novel targeted sensory reinnervation technique to restore functional hand sensation after transhumeral amputation. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 22 (4), 765-773 (2014).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 257 (6), (2014).
- Oddo, C. M., et al. Intraneural stimulation elicits discrimination of textural features by artificial fingertip in intact and amputee humans. eLife. 5 (MARCH2016), (2016).
- Raspopovic, S., et al. Bioengineering: Restoring natural sensory feedback in real-time bidirectional hand prostheses. Science Translational Medicine. 6 (222), (2014).
- Flesher, S. N., et al. Intracortical microstimulation of human somatosensory cortex. Science Translational Medicine. 8 (361), (2016).
- Tabot, G. A., et al. Restoring the sense of touch with a prosthetic hand through a brain interface. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (45), 18279-18284 (2013).
- Marasco, P. D., et al. Illusory movement perception improves motor control for prosthetic hands. Science Translational Medicine. 10 (432), (2018).
- Horch, K., Meek, S., Taylor, T. G., Hutchinson, D. T. Object discrimination with an artificial hand using electrical stimulation of peripheral tactile and proprioceptive pathways with intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (5), 483-489 (2011).
- Braun, N., et al. The senses of agency and ownership: A review. Frontiers in Psychology. 9 (APR), (2018).
- Van Den Bos, E., Jeannerod, M. Sense of body and sense of action both contribute to self-recognition. Cognition. 85 (2), 177-187 (2002).
- Botvinick, M., Cohen, J. Rubber hands "feel" touch that eyes see. Nature. 391 (6669), 756 (1998).
- Gallagher, S. Philosophical conceptions of the self: Implications for cognitive science. Trends in Cognitive Sciences. 4 (1), 14-21 (2000).
- Niedernhuber, M., Barone, D. G., Lenggenhager, B. Prostheses as extensions of the body: Progress and challenges. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 92, 1-6 (2018).
- Marasco, P. D., Kim, K., Colgate, J. E., Peshkin, M. A., Kuiken, T. A. Robotic touch shifts perception of embodiment to a prosthesis in targeted reinnervation amputees. Brain. 134 (3), 747-758 (2011).
- Rognini, G., Blanke, O. Cognetics: Robotic Interfaces for the Conscious Mind. Trends in Cognitive Sciences. 20 (3), 162-164 (2016).
- Dewey, J. A., Knoblich, G. Do implicit and explicit measures of the sense of agency measure the same thing. PLoS ONE. 9 (10), (2014).
- Edwards, A. L. Adaptive and Autonomous Switching: Shared Control of Powered Prosthetic Arms Using Reinforcement Learning. , University of Alberta. Master's thesis (2016).
- Desai, M., Stubbs, K., Steinfeld, A., Yanco, H. Creating trustworthy robots: Lessons and inspirations from automated systems. Adaptive and Emergent Behaviour and Complex Systems - Proceedings of the 23rd Convention of the Society for the Study of Artificial Intelligence and Simulation of Behaviour, AISB 2009. , 49-56 (2009).
- Lee, J. D., See, K. A. Trust in automation: designing for appropriate reliance. Human Factors. 46 (1), 50-80 (2004).
- Moore, J. W. What is the sense of agency and why does it matter? Frontiers in Psychology. 7 (AUG), 1-9 (2016).
- Obhi, S. S., Hall, P. Sense of agency in joint action: Influence of human and computer co-actors. Experimental Brain Research. 211 (3-4), 663-670 (2011).
- Sahaï, A., Pacherie, E., Grynszpan, O., Berberian, B. Co-representation of human-generated actions vs. machine-generated actions: Impact on our sense of we-Agency? 2017 26th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN). , Lisbon, Portugal. August 28 - September 1, 2017 (2017).
- Biddiss, E., Chau, T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
- Atkins, D. J., Heard, D. C. Y., Donovan, W. H. Epidemiologic overview of individuals with upper-limb loss and their reported research priorities. Journal of Prosthetics and Orthotics. 8 (1), 2-11 (1996).
- Kalckert, A., Ehrsson, H. H. Moving a Rubber Hand that Feels Like Your Own: A Dissociation of Ownership and Agency. Frontiers in Human Neuroscience. 6 (March), 1-14 (2012).
- Caspar, E. A., Cleeremans, A., Haggard, P. The relationship between human agency and embodiment. Consciousness and Cognition. 33, 226-236 (2015).
- Haggard, P., Clark, S., Kalogeras, J. Voluntary action and conscious awareness. Nature Neuroscience. 5 (4), 382-385 (2002).
- Engbert, K., Wohlschläger, A., Haggard, P. Who is causing what? The sense of agency is relational and efferent-triggered. Cognition. 107 (2), 693-704 (2008).
- Moore, J. W., Wegner, D. M., Haggard, P. Modulating the sense of agency with external cues. Consciousness and Cognition. 18 (4), 1056-1064 (2009).
- Kumar, V., Todorov, E. MuJoCo HAPTIX: A virtual reality system for hand manipulation. 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , Seoul, South Korea. November 3 - 5, 2015 (2015).
- Kuiken, T. A., et al. Targeted reinnervation for enhanced prosthetic arm function in a woman with a proximal amputation: a case study. Lancet. 369 (9559), 371-380 (2007).
