Характеристика чувство агентства над действиями нейронных машина работает интерфейс протезы
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.
Protocol
Representative Results
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 про?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. , (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). , (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). , (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).
