Om det finns ett välbekant ljud när en volontär provar en interaktiv enhet som använder elektrisk muskelstimulering, det är nog skratt. Även för erfarna användare av tekniken, känslan av en maskin som styr din kropp känns onaturlig och konstig. Något med upplevelsen stör människors känsla av handlingskraft – känslan av att ha kontroll över sina handlingar – vilket kan störa teknikens potential att förbättra lärandet och göra virtuell verklighet mer realistisk.

Som Asst. Prof. Pedro Lopes utforskade enheter genom ett gränssnitt mellan människa och dator, först i sitt doktorandarbete vid Hasso Plattner Institute i Tyskland och nu vid University of Chicago, han blev intresserad av huruvida agency kan mätas, kontrolleras eller till och med återställas under användning av sådana enheter. I två nya banbrytande tidningar, Lopes och medarbetare har varit på spåren av agentur, använder allt från pitchingmaskiner till fMRI-hjärnskannrar.

"Vi började med att ställa frågan:Måste elektrisk muskelstimulering alltid kännas så onaturligt, eller finns det något vi kan göra för att få det att kännas mer i samklang med din egen vilja?" sa Lopes. "Jag tror att vi precis började svara på det, men det finns oändliga sätt att se på den här saken eftersom det är en så filosofisk fråga."

Forskningen om byrå började med en enkel demo utförd på en konferens 2018 av Jun Nishida, nu postdoktor vid University of Chicago:Kan elektrisk muskelstimulering hjälpa människor att fånga en markör som tappas av en annan person på kort håll?

Det gjorde, och som förväntat, de flesta frivilliga tillskrev åtgärden till maskinen, inte sina egna reflexer. Men en liten minoritet av deltagarna höll inte med, säger att stimulansen, känd som EMS, måste inte ha varit på eftersom de fångade markören utan hjälp.

Dessa extremvärden inspirerade ett experiment där Lopes, Nishida och Shunichi Kasahara från Sony Computer Science Laboratories justerar tidpunkten för när EMS triggade en användare att utföra en viss uppgift, som att trycka på en knapp som svar på en stimulans, eller mer avancerade åtgärder som att fotografera en snabbrörlig baseboll. De fann att det finns ett tidsfönster där det blir väldigt svårt för användare att skilja mellan sina egna handlingar och de som genereras av EMS.

"Om vi ​​gör det väldigt tidigt kommer det att kännas väldigt konstlat, för att du gör något helt övermänskligt:​​Du slår en boll mycket snabbare eller så tar du tag i pennan supertidigt, " sa Lopes. "Men om vi skulle göra stimuleringen bara lite innan du normalt skulle göra det själv, du kanske inte ens ser att det här var muskelstimuleringen och inte du. Du känner att du gjorde det."

I den studien, Försökspersonerna tillfrågades muntligt efter uppgiften om de kände att de gjorde det själva eller fick hjälp av EMS-enheten. I en färsk tidning, Lopes gick djupare, höra direkt från deltagarnas hjärnor om de kände aktörhet genom att mäta dess elektriska aktivitet under en virtuell verklighetsuppgift.

I en virtuell verklighetsmiljö, användare ombads att röra en virtuell ruta. Precis när deras fingrar kontaktade den virtuella lådan fick de antingen visuell feedback, eller bilder som åtföljs av vibrationer på fingertopparna, eller allt det ovanstående tillsammans med muskelstimulering. Men i en viss delmängd av försök, den feedbacken var "fel, " inträffade innan användaren såg ut att röra vid rutan. När denna oöverensstämmelse inträffade, forskare såg en anmärkningsvärd förändring i hjärnans elektriska aktivitet - en neural signal om att den virtuella verklighetsupplevelsen var mindre realistisk.

"Din hjärna har en ganska bra detektor för om du känner att du är där, " sa Lopes. "Det är typ av dynamiskt mätning av hur du känner dig i de där virtuella världarna, även om du inte behöver anmäla det."

Det projektet passade ihop med ett samtidigt samarbete mellan Lopes och neuroforskare vid University College London &FU Berlin, som ville använda EMS och fMRI för att söka efter hjärnområden som skiljer mellan självgenererad och externt genererad rörelse. Frågan återspeglar beröringens selektiva natur, där några förnimmelser, från dina fingrar när du letar efter ett mynt i fickan, kan vara extremt känsliga medan andra, som rörelsen av dina armar till och från fickan, är praktiskt taget omärkliga.

Lopes hjälpte till att designa ett system där deltagare i en fMRI-skanner ombads att böja långfingret med eller utan hjälp av EMS, ta emot en taktil stimulans som simulerar beröring av en hård yta under halva försöken. Denna inställning gjorde det möjligt för forskare att reta isär hjärnans motoriska och sensoriska system, och sök efter hjärnområdet som potentiellt ställer in dessa svar. Uppgifterna pekade på en region som kallas den bakre insulära cortex, som reagerade starkt på beröring under självgenererad rörelse, men inte under EMS-stimulering.

"Det tyder på att det faktiskt finns en mekanism kopplad till beröring som letar efter byrå och reglerar dessa ingångar, som kan förklara varför vi så snabbt kan byta mellan en sak till en annan, om det är uppifrån och ner, " sa Lopes. "Den lilla processen verkar veta vad som händer."

Att nollställa detta hjärnområde och dess elektriska aktivitet kan vägleda ingenjörer att designa nästa våg av EMS-enheter. Att övervaka en användares hjärnaktivitet kan hjälpa utvecklare att veta, utan att fråga, om en virtuell verklighetsupplevelse uppfattas som verklig, så att de kan finjustera programvaran därefter. Mer allmänt, Att bevara en känsla av handling hos användaren kan göra EMS effektivare när det gäller att lära någon hur man utför en fysisk handling, som att förbättra ett tennisslag eller spela ett instrument.

"Nästa sak vi försöker se är, genom att använda dessa exakta tidpunkter som hjälper dig att vara lite snabbare men ändå ge dig mycket byrå, påverkar detta hur du skulle lära dig med ett sådant system?" sa Lopes. "Det skulle inte förbättra dig dramatiskt, eftersom vi vet att om det är för mycket förändring från dina förväntningar, du kommer inte att tro det. Dessa mindre förändringar kan få dig att faktiskt känna att du förbättras och ge dig många chanser att bli bättre."