• studio psicofisico
• validazione di una piattaforma

Questo lavoro parte da un progetto europeo che la Scuola Superiore Sant’Anna ha sottoscritto con altre università e centri di ricerca europei: il progetto Nanobiotact. Questo progetto ha lo scopo di progettare e costruire un dito artificiale dotato di articolazioni con un sensore biomimetico basato su vettori di trasduttori di forza NEMS che mimeranno la risoluzione spaziale, la sensibilità e le dinamiche dei sensori tattili umani. Per lo sviluppo di un progetto di questo tipo deve essere acquisita una conoscenza dei meccanismi del processo tattile tramite tecniche psicofisiche e neurofisiologiche. In particolare per la valutazione dei meccanismi che permettono il riconoscimento della rugosità di superfici, e delle strategie utilizzate per l’esplorazione, sono state sviluppate alcune piattaforme che rendono possibile lo studio delle forze di interazione e dei momenti prodotti durante l’esplorazione.
Sono state sviluppate piattaforme sia per lo studio di esplorazioni attive delle superfici da parte del soggetto, sia per esplorazioni di tipo passivo; nel primo caso è il soggetto che compie il movimento di esplorazione sulla superficie che è mantenuta ferma; nel secondo caso la superficie viene movimentata mantenendo fermo il dito che svolge l’esplorazione. Dai dati ricavati dalle piattaforme è poi possibile ricavare le forze, le traiettorie, le velocità, ed i valori di attrito sviluppati dal soggetto per l’esplorazione delle superfici.
La presente tesi si concentra in particolare sul lavoro svolto per la messa a punto e la validazione di una piattaforma, progettata e costruita nei laboratori del Polo Sant’Anna Valdera della Scuola Superiore Sant’Anna, per lo studio delle strategie di esplorazione e il riconoscimento di superfici con rugosità variabile. In particolare ci si è concentrati sulla valutazione del riconoscimento di superfici con rugosità variabile.
La piattaforma utilizzata è una piattaforma per lo studio dell’esplorazione attiva di superfici. Questa piattaforma è in grado di registrare le forze ed i momenti di interazione che il soggetto esercita sulla superficie, per far questo utilizza una cella di carico a sei assi che viene collocata sotto le superfici da analizzare. Oltre che dalla cella di carico la piattaforma è costituita anche da un sistema per mantenere in posizione le superfici da analizzare, un supporto per la cella di carico e un sistema di protezioni per evitare che la cella subisca urti laterali accidentali. Le forze ed i momenti possono essere utilizzati, per esempio, per calcolare la traiettoria del dito che esplora la superficie, l’attrito e la velocità di esplorazione.
Per la validazione di questa piattaforma si è cercato di svolgere degli esperimenti che potessero confermare l’utilizzo della piattaforma per studi psicofisici. La decisione dell’esperimento da compiere è stata influenzata dai precedenti studi psicofisici svolti da altri ricercatori sui meccanismi di valutazione della rugosità. Sulla base di questi studi si è cercato di sviluppare un protocollo con l’obiettivo di svolgere uno studio sugli aspetti dei meccanismi di percezione non ancora indagati.
Sono stati svolti vari studi sui parametri che influenzano la valutazione soggettiva di superfici a rugosità variabile utilizzando sia piattaforme per l’esplorazione attiva di superfici, sia per l’esplorazione di tipo passivo. Gli esperimenti svolti si possono distinguere in prove di discriminazione di superfici e prove di valutazione della rugosità; nel primo tipo di prove al soggetto vengono mostrate due superfici in serie, una di riferimento, l’altra da valutare, il soggetto deve dire se rispetto al riferimento l’altra superficie viene percepita più rugosa, uguale, oppure meno rugosa; nel secondo tipo di prove il soggetto dà un valore numerico alla rugosità percepita. Le superfici utilizzate per questi studi possono essere a rugosità controllata, costituite cioè da elementi in rilievo, le cui dimensioni e distanze possono essere variate in modo ben definito, oppure usare superfici come la carta vetrata dove i parametri geometrici variano in modo più casuale, oppure anche confrontare rugosità di materiali diversi come legno, vetro, carta; anche se in questo ultimo caso, nel riconoscimento, entrano in gioco anche altri parametri relativi alle proprietà del materiale come la “compliance”.
In generare dagli studi è emerso che un forte parametro di influenza della percezione della rugosità sembra essere la distanza tra gli elementi in rilievo presenti sulla superficie nella direzione in cui si compie l’esplorazione. Anche l’aumento della forza normale applicata sulla superficie sembra far aumentare la percezione, con l’aumentare invece delle dimensioni degli elementi in rilievo la percezione della rugosità diminuisce; questo parametro però non sembra influente quanto il valore della distanza degli elementi rialzati. Anche la velocità di esplorazione non sembra un parametro molto influente, rispetto alla distanza tra gli elementi in rilievo. Il valore di attrito medio è certamente correlato con la percezione della rugosità, ma da recenti studi di valutazione un parametro che sembra molto più correlato dell’attrito con la percezione soggettiva di rugosità sembra essere il valore di root mean square (RMS) della derivata della forza tangenziale normalizzato sulla media delle superfici su cui viene svolta la prova.
Data questa forte correlazione alla rugosità percepita si è deciso per validare la piattaforma di valutare le capacità discriminatorie dei soggetti in relazione al parametro di RMS; in particolare si è cercato di trovare il valore soglia che permette ai soggetti di discriminare tra la rugosità di due superfici diverse. Questi esperimenti vanno così a valutare le capacità discriminatorie dei soggetti in relazione alla percezione soggettiva di rugosità che questi posseggono, il cui valore è rappresentato dal RMS normalizzato della derivata della forza tangenziale.
Le superfici utilizzate per la prova sono superfici con rugosità controllate costituite da “grating” (linee in rilievo), la distanza tra questi elementi, chiamata spaziatura, è il parametro che viene variato, gli altri parametri geometrici delle superfici non vengono variati. In totale sono state fabbricate 6 superfici con spaziatura pari a 1.6, 2.1, 2.6, 3.1, 3.6, e 4.1 mm.
L’esperimento consiste in prove di riconoscimento: il soggetto deve valutare rispetto ad una superficie di riferimento se percepisce un’altra superficie uguale o con una rugosità superiore. Come superficie di riferimento viene tenuta la superficie con minore distanza tra gli elementi in rilievo: spaziatura pari a 1.6 mm. Gli altri tipi di superfici sono quelle che vengono confrontate. Ogni soggetto svolge 7 prove per ogni superficie da discriminare. Il soggetto durante la prova è bendato e indossa delle cuffie, in modo da non essere influenzato nel giudizio da altri tipi di stimoli. L’esplorazione delle superfici consiste in un unico movimento continuo dell’indice sulla superficie da sinistra a destra.
L’interfacciamento dello sperimentatore con la piattaforma avviene tramite software Labview, tramite tale programma è possibile il settaggio iniziale della frequenza di campionamento, definire il valore di soglia della forza normale a partire dal quale inizia l’acquisizione, il programma inoltre si occupa di moltiplicare per la matrice di calibrazione i valori di tensione uscenti dalla cella di carico relativi alle forze e momenti, i valori poi vengono visualizzati quasi in tempo reale sul display, è possibile inoltre eliminare possibili offset.
Tramite software Matlab i dati acquisiti vengono filtrati ed elaborati per estrarre le informazioni interessanti, come il valore della derivata della forza tangenziale ed il relativo RMS, la traiettoria del movimento e la velocità di esplorazione.
I grafici delle traiettorie sono utili per vedere se il soggetto ha svolto la prova in modo ottimale esplorando la superficie con un unico movimento continuo da sinistra a destra come da protocollo. Tutti i soggetti seguono all’incirca questo tipo di traiettoria. Anche i grafici relativi alle forze applicate danno una conferma di questo fatto; il valore in modulo molto piccolo della forza perpendicolare all’asse coincidente con la direzione di esplorazione ideale sta ad indicare che in quella direzione il soggetto applica una forza quasi nulla.
Osservando i grafici relativi alla forza tangenziale al moto si possono evidenziare tre fasi distinte nell’andamento di questa forza: una fase iniziale, dove è presente un aumento della forza prodotta, dovuto all’attrito statico che il soggetto deve vincere per muoversi, fino al raggiungimento di un picco seguito da un brusco calo del valore; una fase finale dove il soggetto diminuisce la forza applicata per fermarsi; una fase intermedia dove la forza subisce delle fluttuazioni dovute agli elementi in rilievo che il dito incontra lungo il percorso. Queste fluttuazioni variano passando da una spaziatura più piccola ad una più grande diminuendo in frequenza e aumentando in ampiezza. Questo andamento si riflette anche nei picchi della derivata relativa a questa forza.
I valori della velocità di esplorazione sono serviti per avere maggiori informazioni sull’esplorazione e per svolgere un’analisi sui legami che questo parametro ha con la distanza degli elementi presenti sulla superficie e con RMS della variazione della forza tangenziale, che rappresenta la percezione della rugosità.
È stato calcolato il coefficiente di correlazione tra la distanza degli elementi sulla superficie e la relativa velocità media di esplorazione per ogni soggetto e la stesso coefficiente è stato calcolato con il valore di RMS relativo alle diverse distanze di elementi e la velocità media. Da soggetto a soggetto il valore del coefficiente di correlazione è molto variabile in tutti e due i casi, passa da valori molto bassi pari a circa 0.10 a valori molto alti pari a 0.90, in generare quindi non si può dire che il valore della velocità è correlato né con la spaziatura del piattino, né con la percezione di rugosità rappresentata dal valore di RMS normalizzato della derivata della forza tangenziale esercitata su quel particolare tipo di superficie, come anche altri studi avevano comunque evidenziato. I due valori di correlazione risultano però simili tra loro a conferma indiretta della buona relazione tra il RMS e la distanza degli elementi sulla superficie. Un valore piuttosto alto di correlazione, pari a 0.78, si ha tra il valore medio della velocità di esplorazione e il valore di medio RMS non normalizzato calcolati su tutte le superfici, questo sta ad indicare che la velocità di esplorazione comunque influenza il valore medio assoluto di RMS.
Per quanto riguarda i risultati relativi alla prove di discriminazione si è considerato in grado di riconoscere una superficie il soggetto che superava il 50% delle risposte corrette nella prova di discriminazione; si può dire che in media i soggetti riconoscono dalla seconda superficie con spaziatura superiore a quella di riferimento ma per alcuni soggetti anche per superfici con distanza immediatamente successiva a quella del riferimento può avvenire il riconoscimento, un soggetto addirittura riconosce dalla terza superficie con distanza superiore al riferimento. Non c’è quindi una distanza degli elementi fissa tra i soggetti per cui si ha il riconoscimento.
Per ogni soggetto è stata fatta la media dei valori di RMS della derivata della forza tangenziale relativi allo stesso tipo di superficie, e questi stessi valori medi di RMS sono stati normalizzati per il RMS medio di tutte le superfici dello stesso soggetto.
Dai grafici relativi ai valori medi normalizzati di RMS messi in relazione alla distanza degli elementi in rilievo, osservando alcuni soggetti risulta evidente per quale superficie avviene il riconoscimento, ovvero, il passaggio dalla superficie non riconosciuta a quella dove avviene il riconoscimento può essere contraddistinto da un salto nel valore di RMS, questo però non è sempre vero per tutti i soggetti. Dai grafici analizzati risulta comunque che c’è un aumento del valore del RMS con l’aumentare della distanza tra le linee in rilievo, questo ci da una conferma sul fatto che la percezione aumenta con l’aumentare della spaziatura come detto in altri studi.
Valutando comunque i valori del gap tra i valori di RMS della superficie di riferimento e quelli delle altre superfici è possibile individuare un range di valori comune, compreso tra 0.08 e 0.11, all’interno del quale è possibile individuare una soglia percettiva, un valore di gap che corrisponde a una percentuale di riconoscimento del 50%, superata la quale quindi si può dire che c’è stato riconoscimento.
I dati sulle percentuali di esplorazione sono stati messi in un grafico in relazione al gap registrato, da questi dati è stata estrapolata la funzione che minimizzava l’errore medio, questo processo è stato applicato sia con una funzione di fitting esponenziale sia con una sigmoide. Il valore medio di errore minimizzato in relazione alla funzione esponenziale risulta peggiore rispetto a quello in relazione alla funzione sigmoide, si può inoltre notare che il valore di soglia calcolato rispetto alla funzione esponenziale ha un valore, pari a 0.072, che è al di fuori di poco rispetto al comune range di valori individuato analizzando i gap percettivi dei soggetti; quindi questa funzione sembra peggio descrivere il comportamento dei dati rilevati, rispetto alla funzione sigmoide, che ha un valore di soglia pari a 0.109, valore che sta all’interno del range individuato.
Tramite questo esperimento è stato trovato quindi il valore di soglia percettiva che permette la discriminazione della rugosità in questo range di superfici. Si può affermare inoltre dai risultati ottenuti, che confermano anche risultati di studi precedenti, che la piattaforma può essere utilizzata per esperimenti di tipo psicofisico.
Possibile sviluppo futuro di questo lavoro è l’applicazione di questo protocollo anche a superfici controllate con spaziature e elementi in rilievo più piccoli, oppure superfici abrasive con pattern più difficilmente controllabili e riconoscibili. Inoltre potrebbero essere sviluppati nuovi protocolli anche per lo studio delle strategie di esplorazione magari valutando il movimento del dito sulla superficie e la tempistica di esplorazione.