وصف الشعور بالوكالة على الأعمال التي تقوم بها أطراف اصطناعية تعمل بواجهة الجهاز العصبي

Summary

وهنا يقدم بروتوكول الذي يميز الشعور بالوكالة التي وضعت للسيطرة سينساتي الأيدي الاصطناعية الظاهري أو الروبوتية. الاستبيانات النفسية تستخدم لالتقاط الخبرة صريحة للوكالة، وتقديرات الوقت الفاصل الزمني (الربط المتعمد) تستخدم لقياس الشعور بالوكالة ضمنياً.

Abstract

ويصف هذا العمل إطارا منهجية التي يمكن استخدامها بصراحة وضمنا تميز الإحساس بالوكالة التي وضعت حول السيطرة على واجهة الجهاز العصبي (NMI) سينساتي الأيدي الاصطناعية الظاهري أو الروبوتية. تشكيل الوكالة أمر أساسي في التمييز بين الإجراءات التي نقوم بأعمالنا أطرافهم بمنطقتنا. وبالسعي إلى إدماج الأطراف الاصطناعية أطرافهم العليا المتقدمة في هذه الآليات الإدراكية نفسه، يمكننا أن نبدأ بدمج أطراف اصطناعية على نحو أوثق في الإطار المعرفي القائم للمستخدم لعنصر تحكم تقويم. وهذا له آثار هامة في تعزيز قبول المستخدم، واستخدام، ومراقبة فعالة للأطراف الاصطناعية أطرافهم العليا المتقدمة. في هذا البروتوكول، المشاركين في التحكم في يد الأطراف اصطناعية ظاهري وتلقى ردود الفعل الحسي حركي من خلال ما NMIs الموجودة مسبقاً. يتم تنفيذ سلسلة من المهام استيعاب الظاهري واضطرابات يتم تقديمها بشكل منهجي إلى ردود فعل حركي وحركات اليد الظاهري. وتستخدم تدابير منفصلة اثنين من الوكالة: إنشاء الاستبيانات النفسية (لالتقاط الخبرة صريحة للوكالة) وفترة الزمنية تقدير مهمة لالتقاط المعني الضمني للوكالة (الربط المتعمد). النتائج من هذا البروتوكول (الفاصل الزمني وعشرات الاستبيان تقديرات) يمكن تحليلها لتقدير مدى تشكيل الوكالة.

Introduction

كما أصبحت تزداد تقدما الروبوتية الاصطناعية، بأهمية التغذية الراجعة الحسية ذات الصلة سوف تواصل نموها. ردود الفعل الحسي يؤثر على كيفية تصور البشر وتتفاعل مع وحتى دمج آلات على مخطط الجسم. الأخيرة NMI التقنيات الآن يمكن أن توفر للمستخدمين أطرافهم الاصطناعية مع تحكم بديهية وتحقيق الأحاسيس المرتبطة باللمس^1،2،،من^34،،من^{56 , 7} وكينيسثيسيا (الإحساس بالحركة)^8،9 في أطرافه مفقودة. عندما يقترن هذا المعلومات الحسية المعلومات البصرية المقدمة من مشاهدة الأطراف الاصطناعية خلال العملية، يتعين علينا الوصول إلى العناصر الرئيسية التي تبلغ تميزت بالذات-مقابل-أخرى. الاستفادة من هذا الوصول قد يساعد على تحقيق أطرافهم الاصطناعية المستخدمين خطوة أقرب للتشغيل أطراف اصطناعية كجزء من الجسم، وليس مجرد أداة.

الوعي بالجسم والشعور بأن تجسد ينشأ من إنشاء الوكالة (تجربة التأليف عبر الإجراءات أحد أطرافه) والملكية (الشعور بأن أحد أطرافه جزء من الجسم)^10،11. بوساطة الملكية هو أساسا من خلال التكامل بين اللمس والمعلومات البصرية¹². وكالة ينبثق من إدماج النية والإحساس بالحركة (كينيسثيسيا) والمعلومات المرئية ونماذج تنبئية المعرفي¹¹. أثناء أداء عمل طوعي، يتم تشكيل الوكالة عند محاذاة الحسية عواقب هذا العمل مع النية على أداء وتوقعات من المؤدي النماذج الداخلية¹³. والوكالة منفصلة ومتميزة عن الملكية. كثيرا ما درس مفهوم الملكية أطرافهم في بدلة الأدب¹⁴. شعور بأشكال الملكية أطرافهم في NMI المشاركين عند لمس ردود الفعل المناسبة مكانياً وزمنياً، كما يقاس صراحة من خلال استبيانات، أو ضمناً من خلال التغيرات في درجات الحرارة المتبقية من أطرافهم، أو الزمنية أمر الأحكام¹⁵. ومع ذلك، وجدت فرصاً أقل لاستكشاف الوكالة في سياق NMI¹⁶. عمل مؤخرا مع المشاركين NMI أثبت أن الوكالة يمكن أن يتعزز هادف ومنفصلة من تجربة ملكية⁸.

وكالة مهم بصفة خاصة في تشغيل الروبوتية الاصطناعية كما ارتباط المعرفي لمراقبة الإجراءات المادية للأطراف الاصطناعية من خلال تجارب العلاقة السببية، الشعور بالسيطرة على الأطراف الاصطناعية أو التسبب في شيء يحدث¹⁷. الروبوتية الاصطناعية المتطورة الآلات المحوسبة التي المستخدم يجب أن تتعاون مع على فعالية إنجاز المهام. وأدرجت بعض الأطراف الصناعية وظائف مستقلة، مثل الكشف عن قبضة--كشف وتصحيح؛ بعد هذه النظم قد شهدت اعتماد محدود كوظيفة تشغيل خارج عنصر تحكم المستخدم يمكن عرضها بالإحباط إذا لم تنفذ على نحو ملائم^8،18. هذا يمثل تحديا أساسيا صداه في جميع أنحاء التطبيقات للتعاون البشري مع الأجهزة المتمتعة بالحكم الذاتي. فالبشر كثيرا ما الثقة أعمالهم الخاصة عبر تلك الناجمة عن تعاون مع أجهزة الكمبيوتر أو الأجهزة، وهذه الثقة يؤثر تأثيراً مباشرا احتمال في عامل استخدامها في مهام الحكم الذاتي^19،20. كبشر، متأصلة ونثق بأنفسنا واجسادنا لتنفيذ الإجراءات التي ننوي؛ عندما يتحقق ذلك، علينا أن ننشئ شعور جوهرية للوكالة. من المثير للاهتمام، هو أثر تشكيل الوكالة في الإجراءات التعاونية بين الإنسان والحاسوب. خلال المهام التعاونية البشر، قد شكلت شعور مشترك من وكالة على مدى²¹من الحركة؛ حتى الآن، توحي الأدب هو المشغولة تلك الوكالة المشتركة من خلال التعاون بين الإنسان والحاسوب^22،23. وتنعكس هذه التحديات في الأطراف الاصطناعية أطرافهم العليا استخدام، ولا تزال معدلات رفض الأجهزة الروبوتية عالية، مع 23%-39% مستخدمين التوقف عن استخدام²⁴. في الواقع، لا تزال تفضل العديد من المستخدمين بدلة نظم بدعم الهيئة²⁵. هذه الأنظمة إزالة الجهاز المحوسبة من حلقة التحكم وأكثر وثيقا الزوجين حركة الجسم المستخدم لحركة بدلة عبر الأسلاك الكابلات. وهذا يعزز كذلك أهمية التكامل المعرفي في الاستخدام الأجهزة التعويضية متقدمة. ونحن نقترح أن نظم NMI يمكن أن توفر عدد من القطع الحسية والحركية اللازمة للمساعدة في تحريك الأطراف الاصطناعية أقرب إلى تحديد إحساسا تعاونية للوكالة، وهذا سيكون مفيداً في تشجيع القبول والتكامل الحقيقي لهذه آلات محوسبة مع المستخدمين الخاصة بهم.

ويمكن قياس الوكالة في عدد من الطرق. التدابير أبسط باستخدام الاستبيانات النفسية أو جداول صراحة اسأل المشاركين منهم أو ما هي السمة حدث^17،،من²⁶²⁷. وهذا يعتمد على إدراك الفرد في القائمة "الذاتي" بمطالبة المشاركين جعل الأحكام استنتاجي الإسناد الذاتي (أي، صراحة القاضي ما إذا كان "أنا" أو كيان آخر كان مسؤولاً عن إجراء أو حدث). تدابير ضمناً توفر نظرة ثاقبة الخلفية العمليات المعرفية التي تحدث أثناء عمل المحرك والأحداث الحسية. طريقة العرض هذه للوكالة محاولات لقياس هذا الذي لا ينظر إليها صراحة بفرد. عادة ما يتحقق هذا عن طريق وجود المشاركين تميز فرقا متصورة في النفس وخارجياً-المولدة باتخاذ إجراءات، على سبيل المثال وجود المشاركون تقرير مدة الزمن ينظر إلى تحدث بين حدثاً المتمتعة بالحكم الذاتي والخارج-ولدت ^{17 , 28}-أثناء أداء الأعمال المولدة ذاتيا، يظهر الوكالة ضمنياً كضغط الإدراك حسي في الوقت بين الأعمال وآثارها الحسية، المعروفة باسم الربط المتعمد²⁸. عند الأفراد تقرير الوقت أنهم يعتبرون تحدث بين عمل ونتائجه، يتوافق مع مدة متصورة أقصر من الوقت إلى شعور أكثر بقوة شكلت وكالة^29،30. من المثير للاهتمام، وقد ثبت أن التدابير الصريحة والضمنية قد ترتبط مباشرة كما أنها هي المرجح أن تميز مختلف الآليات الإدراكية¹⁷ أن يبلغ الشعور بوكالة معا. على هذا النحو، التوصل إلى فهم أكثر شمولاً لتشكيل الوكالة أثناء استخدام بدلة سيتطلب على الأرجح البروتوكولات التجريبية استخدام تدابير صريحة وضمنية على حد سواء.

ويصف هذا العمل إطارا منهجية التي يمكن استخدامها بصراحة وضمنا تميز الإحساس بالوكالة التي وضعت للسيطرة NMI سينساتي الأيدي الاصطناعية الظاهري أو الروبوتية. وترد اثنين من التقنيات لقياس الوكالة أثناء أداء مهمة استيعاب كائن حسي حركي. الاستبيانات النفسية المنشأة تستخدم لالتقاط الخبرة صريحة للوكالة، بينما تقديرات الوقت الفاصل الزمني (الربط المتعمد) تستخدم لقياس ضمناً الإحساس بالوكالة.

نطاق هذا البروتوكول هو تقييم الإحساس بالوكالة في سياق NMI التي توفر التحكم الحركية النشطة فسيولوجيا ذات الصلة وردود فعل حركي. هذه التقنيات قابلة للتعميم على نظم NMI الاصطناعية فعلى أو ظاهري. هناك الحد الأدنى من القيود المفروضة على السكان الذين يجوز تعيينهم لتنفيذ هذا البروتوكول. على سبيل المثال، تنقل أطرافهم العليا المشارك لا تتأثر ثنائيا (أنهم يجب أن يكون أحد أطرافه السليمة)، وأنها يجب أن تمتلك القدرة المعرفية لجعل الأحكام المستندة إلى الوقت والتعبير عن الأحاسيس ذوي الخبرة.

Protocol

هذا البروتوكول قد اعتمد سابقا ويتبع المبادئ التوجيهية التي وضعتها لجنة أخلاقيات البحوث البشرية في "مستشفى كليفلاند".

1-الأجهزة والبرمجيات NMI

1. إنشاء NMI مراقبة كل مشارك الفردية وردود الفعل حيث أن عند محاولتهم القيام حركة، انظر وأشعر بدلة ظاهري إكمال تلك الحركة.
   1. توليد هو الإدراك يد حركي من خلال NMI المشارك والتقاط الكينماتيكا اقتراح تصور وجود مشارك تثبت أنهم يشعرون باستخدام أيديهم سليمة.
      ملاحظة: تقنيات لتوصيف الكينماتيكا الإدراك حركي قد تجلى في غيرها works⁸ ويمكن تحقيقها باستخدام قفاز بيانات أو نظام التقاط حركة بصرية.
   2. استخدام محاكاة يد ظاهري/الأطراف اصطناعية لاستخراج الكينماتيكا الإدراك الحركة.
   3. إعداد الأجهزة لالتقاط إشارات التحكم حركة اليد المتعمدة من NMI المشارك.
   4. تعيين إشارة التحكم هذه إلى نشاط البدلة الظاهري.
   5. إنشاء برنامج تحكم رئيسي الذي ينسق الحصول على إشارة التحكم NMI، حركة البدلة الظاهري، وتوليد حركي NMI الملاحظات في الوقت الحقيقي.

2-الإعداد تجريبي

1. مقعد المشارك ووضع جهاز عرض أفقياً (أي، على ظهرها، تواجه نحو الأعلى) على طاولة أمامهم.
2. عرض بدلة ظاهرية على الشاشة وضبط حجمها ومكان حيث وضعها كونجروينتلي مع موقع على أطرافه مفقودة.
3. تقديم الكائنات (مثل، تطفو الكرات) في بيئة ظاهرية لتكون بمثابة نقاط التوقف لمواقف قريبة ومفتوحة من الجهة (نقاط النهاية للحركة).
4. تكوين برنامج التحكم الرئيسي بحيث عندما جعل أرقام الظاهري الاتصال مع نقاط التوقف الظاهري، لهجة سمعية يتم لعب بعد تأخير وقت قابل لتعديل (300 أو 500 أو 700 أو 1,000 ms).

3. الظروف التجريبية

1. إنشاء ملف إدخال لبرنامج التحكم الرئيسي الذي يحدد الإعدادات لكل محاكمة، بما في ذلك التأخير لهجة السمعية، سواء كانت التغذية المرتدة NMI هو تشغيل/إيقاف، سرعة واتجاه حركة اليد الظاهري، والتأخير بين الأمر حركة اليد الظاهري.
   1. إنشاء التحكم شرطين وخط أساس وشرط سلبي.
      1. لوضع خط الأساس، تكوين الكينماتيكا والتحكم من جهة الظاهري لمطابقة الإدراك حركي NMI.
         ملاحظة: وضع خط الأساس يمثل الواقع المثالي نية موتور، والحركة الكينماتيكا وردود فعل حركي.
      2. برنامج الشرط السلبي لأداء حركة يد ظاهري عند تحفيزه بواسطة المحقق (إزالة عنصر التحكم من المستخدم) في حين لا تزال تقدم المشارك مع الإدراك حركي NMI.
         ملاحظة: الشرط السلبي يلتقط نظرية الوكالة أسوأ الظروف (أي، حركة في الغياب الرقابة [دون قصد]، مماثلة لجسد واحد نقله سلبية).
   2. البرنامج شروط إضافية مصممة لتحليل خارج مساهمات الوكالة قصد الحركية والإحساس حركي وعدم التطابق الزمني مع الكينماتيكا المعروضة من البدلة الظاهري. النظر في استخدام الشروط الخمسة التالية.
      1. عكس حركة: ردود فعل حركي NMI يشير إلى أن يغلق يده حين يفتح التصور اليد.
      2. سريع جداً: إغلاق التصور اليد أسرع مما ورد من ردود فعل حركي NMI.
      3. بطيئة للغاية: إغلاق التصور اليد أبطأ مما ورد من ردود فعل حركي NMI.
      4. تأخير بداية: s يغلق 1 التصور اليد في وقت لاحق مما ورد من ردود فعل حركي NMI.
      5. لا توجد تعليقات: التصور اليد يغلق دون أي ردود فعل حركي NMI.

4-أداء التجربة

1. إرشاد المشاركين إلى محرك اليد من مفتوح إلى موقف مغلقة دون توقف، وأن يقدم تقريرا تقدير وقت التأخير من عندما اتصلت أرقام افتراضية نقاط التوقف الظاهري إلى عندما سمعوا نبرة السمعية.
   ملاحظة: يجوز للمشتركين يستخدموا أي تمثيل للوقت بين 0 و 1 s التي تجعل أكثر إحساسا بها (مثلاً، ميلي ثانية، وكسور الثواني، 0-مقياس 10).
2. بدء كل محاكمة بالضغط على زر بدء البرنامج عنصر التحكم الرئيسي، الذي ينتقل من ناحية الظاهري إلى موضع البداية، مما يشير إلى بداية المحاكمة. هذا العظة المشترك محرك الأقراص الظاهري اليد إلى نقاط التوقف الظاهري، الذي يتسبب في لهجة سمعية للعب بعد تأخير معشاة ذات شواهد (300 أو 500 أو 700 مللي ثانية).
   1. تسجيل تقدير المشارك المبلغ عنها لفظياً تأخير الفاصل الزمني.
3. تنظيم المحاكمات إلى كتل التجريبية.
   1. تبدأ مع الممارسة دورتين واستبعادها من التحليل النهائي.
      1. في جلسة التمرين الأولى، يكون محرك الأقراص المشاركين إلى نقطة النهاية بحركة اليد واللعب لهجة سمعي 1,000 ms بعد أرقام الظاهري الوصول إلى نقاط التوقف الظاهري للمحاكمات 10.
         1. المشاركين لا تحتاج إلى تقرير الفواصل الزمنية المقدرة لجلسة العمل هذه الممارسة.
            ملاحظة: هذه الخطوة ضروري لتوجيه المشاركين إلى كم واحد يشعر بالثانية.
      2. في الدورة الثانية والممارسة، مرة أخرى، يكون محرك الأقراص المشترك اليد إلى نقطة نهاية الحركة. حيث أن فترات التأخير 300 و 500 و 700 مرض التصلب العصبي المتعدد وتعرض مالا يقل عن 5 × كل بطريقة عشوائية على نغمات السمعية.
         1. أطلب من المشاركين تقديم تقرير فترات تأخير المقدرة.
         2. عدم إبلاغ المشارك لكيفية إغلاق تقديراتها لفترات التأخير أن التأخير الفعلي خلال هذه التجارب الممارسة أو المحاكمات اللاحقة في كتلة التجريبية.
            ملاحظة: هذه الخطوة مهمة المشاركين سيكون على الأرجح عديمي الخبرة في إصدار الأحكام وقت على مقياس كسور الثانية، وإجراءات الاختبار قد لا تكون بديهية للمشارك اختبار أونبراكتيسيد.
   2. الانتقال إلى مجموعات تجريبية 15 المحاكمات لكل حالة. الشروط في ترتيب عشوائي وإدارة استبيان في نهاية كل شرط.
      1. إرشاد المشاركين إلى التأمل في أحدث مجموعة من المحاكمات وإكمال الاستبيان الوكالة ثمانية-البيان (ويشمل أربعة أسئلة لقياس تجربة صريحة للوكالة والأسئلة الأربعة التي تحكم [المثال المتوفرة في الملف التكميلي])^8،26.
         1. بيانات الاستبيان الخاص تقديم مالا يقل عن خمسة أوامر سؤال فريد من نوعه ستعرض عشوائياً على المشاركين بطريقة عشوائية.
   3. في نهاية كتلة التجريبية مع مجموعة من 15 من المحاكمات للشرط السلبي وإدارة استبيان بعد الانتهاء من هذه المحاكمات.
      ملاحظة: إدارة المحاكمات السلبي في نهاية كل كتلة التجريبية لتجنب التداخل مع شعور المنشأة للوكالة.
4. إكمال أربع مجموعات تجريبية مع أوامر معشاة ذات شواهد مختلفة من الظروف التجريبية.
5. توفر العديد من الفرص طوال فترة اختبار للمشاركين لأخذ قسط من راحة. لا يوجد الحد الأدنى من الوقت أو الوقت المحدد لهذه الفواصل، ولكن ضمان المشارك ليس مرهق جسديا أو عقلياً قبل مواصلة التجارب.

النتائج

وأجرى في البروتوكول التجريبي مع ثلاثة مشاركين مبتوري الأطراف العاملة بدلة ظاهري سينساتي عبر هم NMI⁸ (الشكل 1). الإعداد تستخدم يد ظاهري مشارك التحكم تتحرك من خلال الملامح الحركية مبرمجة مسبقاً باستخدام محرك الفيزياء هاتش ميكو³¹

Discussion

هنا يقدم إطارا منهجياً لوصف تجربة الوكالة شكلت أثناء التشغيل سينساتي الاصطناعية عن طريق NMIs. وفي هذا السياق، الوكالة ذات الصلة لا سيما كما أنه يسد العمل البدني على خلفية العمليات الإدراكية التي تحدد التصور. من خلال أحد المشاركين بدلة و NMI، لدينا إمكانية الوصول المباشر إلى عدد من العنا?...

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.