Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Jak nasz mózg wykorzystuje wzrok do planowania pewnego chwytania przedmiotów

Na co dzień chwytamy i podnosimy przedmioty bez trudu i bez większego zastanowienia. Choć czynność ta może wydawać się nam trywialna, dla robotów jest to manewr niezwykle trudny pod względem obliczeniowym. Badacze korzystający ze środków UE połączyli modelowanie obliczeniowe, neurobiologię behawioralną i pomiary aktywności mózgu w celu zbadania, jak nasz mózg kontroluje koordynację wzrokowo-ruchową, aby zaplanować ruchy umożliwiające chwytanie przedmiotów.

Badania podstawowe
Zdrowie

Zmysł wzroku kieruje naszymi ruchami w kierunku przedmiotów. Na przykład, jeśli ktoś zostanie poproszony o podanie soli, najpierw szuka jej na stole, a następnie chwyta ręką. Nadal jednak jesteśmy dalecy od zrozumienia, w jaki sposób naszemu mózgowi udaje się wykonać tę pozornie banalną czynność. W przypadku każdej czynności, czy to mieszania kawy w filiżance, czy prowadzenia długopisu między kciukiem a palcem wskazującym po kartce papieru, poruszamy palcami w subtelny sposób, który pozwala nam na stabilne, wygodne chwytanie przedmiotów. W jakiś sposób mózg ustala, który chwyt spośród wszystkich możliwości będzie skuteczny. „Nauki behawioralne od dawna starają się zrozumieć, w jaki sposób wykorzystujemy wzrok do chwytania i manipulowania dowolnymi przedmiotami. Ponadto jest to ogromne wyzwanie obliczeniowe dla nowoczesnych systemów zrobotyzowanych – nie potrafią one poradzić sobie z wizualną identyfikacją skutecznych chwytów w prawie 20 % przypadków”, zauważa Guido Maiello, koordynator projektu VisualGrasping finansowanego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”.

Poznać sposób, w jaki mózg łączy różne zasady w jednym ruchu

„Wysunęliśmy hipotezę, zgodnie z którą mózg używa zestawu zasad, aby zidentyfikować skuteczne chwyty. Przypuszczalnie opierają się one na informacjach o trójwymiarowym kształcie przedmiotu, jego orientacji i składzie materiałowym”, dodaje Maiello. Naklejając małe znaczniki na dłonie uczestników badania, uczeni rejestrowali, w jaki sposób poruszali oni rękami podczas interakcji z przedmiotami wykonanymi z różnych materiałów. Niektóre obiekty były drukowane w 3D w celu uzyskania złożonych kształtów. Zespół połączył te obserwacje behawioralne z modelami komputerowymi, które pozwalały przewidzieć, jak ludzie będą chwytać przedmioty. Symulacje wydawały się idealnie odpowiadać wynikom eksperymentu.

Jak mózg postrzega świat w trzech wymiarach

Idąc o krok dalej, naukowcy starali się ustalić, w jaki sposób mózg odtwarza trójwymiarowy kształt przedmiotu na podstawie dwuwymiarowych obrazów docierających do oczu. Maiello tłumaczy: „Trzeci wymiar postrzegany przez człowieka za pomocą wzroku uzyskiwany jest w ten sposób, że mózg łączy różne obrazy (lewy i prawy) w jedną całość w procesie nazywanym stereopsją. Struktura naszych siatkówek i zdolności przetwarzania informacji przez nasz mózg powodują jednak niedoskonałość rekonstrukcji trójwymiarowego środowiska”. W celu dalszego zbadania tych ograniczeń, naukowcy poprosili uczestników o oglądanie obrazów stereo i wypowiedzenie się na temat postrzeganej głębi. Wyniki okazały się odpowiadać modelowaniu teoretycznemu, które próbuje opisać, jak nasz mózg wyodrębnia i przetwarza głębię z dwuwymiarowych obrazów. „Nasze wyrafinowane modele mogą być podstawą do opracowania wszechstronnej teorii dotyczącej tego, w jaki sposób ludzie wykorzystują wzrok do kontrolowania ręcznych czynności motorycznych. W szczególności chcielibyśmy wyjaśnić, w jaki sposób odbierane sygnały wizualne, przetworzone w sygnały elektrochemiczne w siatkówce oka, są przesyłane do i przetwarzane przez złożoną sieć komórek nerwowych w korze wzrokowej i motorycznej. Obliczenia te uwzględniają wyraźne polecenia motoryczne, które precyzyjnie regulują ruchy sięgania i chwytania”, wyjaśnia Maiello. Zdobyta w projekcie wiedza na temat tego, w jaki sposób ludzie wykorzystują wzrok do planowania chwytów, może mieć daleko idące implikacje dla różnych zastosowań inżynieryjnych, takich jak projektowanie bardziej efektywnych siłowników robotycznych oraz bardziej wciągających i przyjaznych dla użytkownika technologii rzeczywistości rozszerzonej. W medycynie mogą one umożliwić znaczną poprawę zdolności kontroli w leczeniu zaburzeń neurologicznych i neurorehabilitacji, a także przydać się w badaniu mechanizmów utraty wzroku.

Słowa kluczowe

VisualGrasping, mózg, chwyty, wzrok, nauki behawioralne, modelowanie, robotyka, rzeczywistość rozszerzona, zaburzenia neurologiczne

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania