Reconstructed Reality: Enabling Teleportation-Based Locomotion in Immersive Telepresence

Immaginate di cercare di camminare attraverso una stanza indossando un elmetto pesante che mostra il feed video dal vivo di una stanza diversa, ma il video è ritardato di quasi due secondi. Ogni volta che muovete la testa o fate un passo, l'immagine che vedete ritarda rispetto al vostro movimento effettivo. Questo disallineamento tra ciò che i vostri occhi vedono e ciò che il vostro orecchio interno percepisce per l'equilibrio è una delle cause primarie della chinetosi (mal d'auto) nella realtà virtuale. Per anni, questo conflitto sensoriale è stato un importante ostacolo all'uso dei robot per compiti remoti, come controllare un parente anziano o ispezionare un impianto distante. Quando gli operatori usano joystick standard per muovere questi robot, il ritardo rende la navigazione lenta e disorientante, causando spesso nausea che li costringe a fermarsi. I ricercatori cercano da tempo un modo per permettere alle persone di sentirsi presenti in un luogo remoto senza il costo fisico di quel ritardo.

Un team di ricercatori dell'Università di Oulu ha sviluppato un metodo per risolvere questo problema cambiando il modo in cui le persone si muovono attraverso questi spazi remoti. Invece di cercare di guidare un robot continuamente come un'auto, il loro sistema permette all'utente di "teletrasportarsi" istantaneamente in una nuova posizione all'interno di una mappa digitale della stanza remota. Mentre l'utente si muove in questo spazio digitale, il robot reale viaggia verso quel punto autonomamente. Poiché l'utente non sta guardando il robot lottare contro il ritardo, non avverte la nausea che solitamente deriva da quel lag. I ricercatori hanno testato questa idea in due fasi, prima con una mappa digitale pre-esistente e poi con un sistema che costruisce la mappa in tempo reale mentre il robot si muove. Le loro scoperte dimostrano che questo metodo di teletrasporto riduce significamente la nausea e aiuta le persone a completare i compiti più velocemente, anche quando la connessione video è lenta.

Il cuore del problema risiede nel modo in cui il cervello umano elabora il movimento. Quando una persona indossa un visore e vede il video di un robot che si muove, i suoi occhi dicono al cervello che sta viaggiando. Tuttavia, il suo orecchio interno, che controlla l'equilibrio, percepisce che la persona è ferma. Questa contraddizione crea un conflitto che il cervello interpreta come un segnale di avvelenamento, scatenando sintomi di nausea e vertigini. Questo problema è particolarmente grave quando si utilizzano telecamere a 360 gradi per trasmettere il video da un robot remoto, perché il video di alta qualità richiede più dati per l'invio, il che aumenta il ritardo. Negli esperimenti descritti, il ritardo tra l'azione del robot e la visione dell'utente sul proprio schermo è stato misurato in circa 1,8 secondi. A questa velocità, cercare di guidare un robot con un joystick è frustrante e fisicamente faticoso, portando spesso a prestazioni scarse poiché l'operatore fatica a indovinare dove sarà il robot quando il video finalmente raggiungerà la posizione attuale.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno introdotto un sistema chiamato VEIPE, che sta per Virtual Environment Interface to a Physical Environment (Interfaccia di Ambiente Virtuale verso un Ambiente Fisico). In questa configurazione, l'utente non guida direttamente il robot. Invece, guarda una ricostruzione 3D della stanza remota all'interno del suo visore. Questa stanza digitale è costruita per corrispondere a quella reale. Quando l'utente vuole muoversi, punta un punto sul pavimento nella stanza digitale e clicca. L'utente appare istantaneamente in quel punto nel mondo virtuale e il robot inizia a guidare verso quel punto da solo. Durante il tempo necessario al robot per percorrere la distanza, l'utente vede il robot muoversi nello spazio digitale, ma poiché il corpo dell'utente non si sta muovendo, il conflitto sensoriale è minimizzato. Una volta arrivato il robot, la visualizzazione torna al feed video dal vivo in modo che l'utente possa vedere chiaramente il mondo reale.

I ricercatori hanno testato questo concetto utilizzando inizialmente una mappa digitale che era stata creata prima dell'esperimento. Hanno chiesto ai partecipanti di navigare con un robot attraverso una stanza per trovare oggetti specifici, come controllare se era presente un flacone di pillole o se un cestino fosse pieno. Metà dei partecipanti ha utilizzato il metodo tradizionale del joystick, mentre l'altra metà ha utilizzato il sistema di teletrasporto. I risultati sono stati chiari: coloro che utilizzavano il metodo di teletrasporto hanno riportato significativamente meno nausea. Su una scala standard utilizzata per misurare il mal di movimento, il gruppo del joystick ha ottenuto punteggi molto più alti, indicando un forte disagio, mentre il gruppo del teletrasporto ha ottenuto punteggi vicini allo zero. Inoltre, il gruppo del teletrasporto ha completato più compiti di navigazione nello stesso lasso di tempo. Hanno anche riportato di sentirsi meno mentalmente esausti. I partecipanti hanno preferito schiacciantemente il metodo del teletrasporto, con la maggior parte di loro che ha dichiarato che lo avrebbe scelto nuovamente se dovesse controllare un robot di nuovo.

Per garantire che questi risultati non fossero solo un colpo di fortuna dovuto a una mappa pre-esistente, il team ha condotto un secondo studio, più impegnativo. Questa volta, hanno utilizzato un robot dotato di una telecamera speciale in grado di scansionare la stanza e costruire la mappa 3D mentre si muoveva. Ciò significava che l'ambiente digitale veniva creato in tempo reale, piuttosto che essere una copia perfetta preparata in anticipo. Il compito era più complesso, richiedendo al robot di percorrere distanze maggiori in uno spazio più grande per eseguire controlli osservativi, simulando uno scenario del mondo reale come quello di un assistente per l'assistenza agli anziani. Il ritardo nel flusso video era leggermente superiore in questa configurazione, misurato a 1,8 secondi, a causa dell'alta qualità del video e della potenza di calcolo richiesta per la mappa in tempo reale.

Anche con l'aggiunta di complessità di una mappa live in costruzione, il metodo del teletrasporto si è dimostrato superiore. I partecipanti che utilizzavano il sistema in tempo reale hanno sperimentato significativamente meno mal di movimento rispetto a quelli che usavano il joystick, sebbene i punteggi complessivi di nausea fossero leggermente più alti rispetto al primo studio, probabilmente a causa della maggiore durata del compito. Il gruppo del teletrasporto ha completato con successo più compiti. I ricercatori hanno scoperto che il tempo necessario al robot per viaggiare non ostacolava la capacità dell'utente di pianificare il percorso, poiché l'utente poteva vedere l'intero tragitto nella mappa digitale e saltare immediatamente alla destinazione. Ciò ha eliminato la frustrazione di cercare di guidare attraverso un feed video ritardato. Il carico di lavoro soggettivo, ovvero quanto duramente gli utenti sentivano di stare lavorando, era anche significativamente inferiore per il gruppo del teletrasporto.

Tuttavia, lo studio ha rivelato una sfumatura sorprendente riguardo alla preferenza degli utenti. Sebbene il metodo del teletrasporto fosse oggettivamente migliore per la salute e le prestazioni, i partecipanti non lo hanno scelto unanimemente come il loro preferito. Nel secondo studio, solo circa due terzi dei partecipanti preferivano il metodo del teletrasporto, mentre l'altro terzo sceglieva ancora il tradizionale joystick. I ricercatori hanno notato che alcuni utenti sentivano un senso di controllo più forte quando potevano guidare il robot essi stessi, anche se questo li faceva sentire male. Un partecipante ha menzionato di sentirsi "disincarnato" usando il sistema di teletrasporto, preferendo la connessione diretta del joystick. Ciò suggerisce che, sebbene la tecnologia risolva il problema fisico della nausea, il desiderio psicologico di controllo diretto rimane un fattore che i progettisti devono considerare.

I ricercatori hanno anche esaminato la facilità d'uso del sistema. Il metodo del teletrasporto ha ricevuto un punteggio leggermente più alto su una scala di usabilità, ma i punteggi non erano eccessivamente alti. Alcuni partecipanti hanno trovato frustrante quando il robot non riusciva a raggiungere un punto selezionato nella mappa digitale, come quando si teletrasportavano troppo vicino a un muro o a un oggetto. Questo indica che il sistema deve essere più intelligente riguardo ai punti raggiungibili, magari mostrando un percorso chiaro o limitando il teletrasporto ad aree sicure. Nonostante queste lievi problematiche di usabilità, i dati confermano che il metodo funziona. I ricercatori hanno concluso che l'uso di un ambiente ricostruito in 3D per teletrasportare un robot è un modo vitale ed efficace per superare i limiti delle connessioni ad alta latenza.

Questo lavoro dimostra che il futuro della robotica remota non dipende necessariamente da una connessione internet più veloce o da telecamere migliori per ridurre il ritardo. Inveve, potrebbe dipendere dal cambiare il modo in cui gli esseri umani interagiscono con la macchina. Permettendo all'utente di saltare il viaggio ritardato e apparire istantaneamente alla destinazione, il sistema rimuove il conflitto sensoriale che causa la nausea. Lo studio fornisce una prova schiacciante del fatto che questo approccio permette alle persone di navigare negli ambienti remoti in modo più efficace e confortevole, anche quando la connessione è lenta. Sebbene la tecnologia non sia ancora perfetta, e alcuni utenti preferiscano ancora la sensazione di controllo diretto, i risultati offrono una via chiara per rendere i sistemi di telepresenza accessibili al grande pubblico. La capacità di controllare un caro o ispezionare un sito remoto senza sentirsi male potrebbe trasformare il modo in cui interagiamo con il mondo oltre la nostra portata immediata.