Reconstructed Reality: Enabling Teleportation-Based Locomotion in Immersive Telepresence

Imagine tentar caminhar por uma sala usando um capacete pesado que mostra uma transmissão de vídeo ao vivo de uma sala diferente, mas o vídeo está atrasado em quase dois segundos. Cada vez que você vira a cabeça ou dá um passo, a imagem que você vê fica atrasada em relação ao seu movimento real. Esse descompasso entre o que seus olhos veem e o que seu ouvido interno sente para o equilíbrio é uma das principais causas de enjoo em realidade virtual. Durante anos, esse conflito sensorial tem sido uma barreira importante para o uso de robôs em tarefas remotas, como verificar um parente idoso ou inspecionar uma instalação distante. Quando os operadores usam joysticks padrão para mover esses robôs, o atraso faz com que a navegação pareça lenta e desorientadora, frequentemente causando náuseas que os forçam a parar. Pesquisadores há muito buscam uma maneira de permitir que as pessoas se sintam presentes em um local remoto sem o custo físico desse atraso.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Oulu desenvolveu um método para resolver este problema mudando a forma como as pessoas se movem através desses espaços remotos. Em vez de tentar pilotar um robô continuamente como um carro, o sistema deles permite que o usuário "teleporte" instantaneamente para um novo local dentro de um mapa digital da sala remota. Enquanto o usuário se move nesse espaço digital, o robô real viaja até esse ponto por conta própria. Como o usuário não está assistindo ao robô lutar contra o atraso, ele não sente o enjoo que normalmente acompanha o lag. Os pesquisadores testaram essa ideia em duas etapas, primeiro com um mapa digital pré-fabricado e depois com um sistema que constrói o mapa em tempo real conforme o robô se move. Suas descobertas mostram que este método de teletransporte reduz significativamente o enjoo e ajuda as pessoas a completar tarefas mais rapidamente, mesmo quando a conexão de vídeo é lenta.

O cerne do problema reside em como o cérebro humano processa o movimento. Quando uma pessoa usa um capacete e vê um vídeo de um robô se movendo, seus olhos dizem ao cérebro que ela está viajando. No entanto, seu ouvido interno, que controla o equilíbrio, sente que ela está sentada imóvel. Essa contradição cria um conflito que o cérebro interpreta como um sinal de envenenamento, desencadeando sintomas de náusea e tontura. Este problema é particularmente severo ao usar câmeras 360 graus para transmitir vídeo de um robô remoto, porque o vídeo de alta qualidade requer mais dados para ser enviado, o que aumenta o atraso. Nos experimentos descritos, o atraso entre a ação do robô e o usuário vendo isso em sua tela foi medido em aproximadamente 1,8 segundos. Com essa velocidade, tentar pilotar um robô com um joystick é frustrante e fisicamente desgastante, muitas vezes levando ao baixo desempenho enquanto o operador luta para adivinhar onde o robô estará quando o vídeo finalmente alcançar o tempo real.

Para enfrentar isso, os pesquisadores introduziram um sistema chamado VEIPE, que significa Interface de Ambiente Virtual para um Ambiente Físico (Virtual Environment Interface to a Physical Environment). Nesta configuração, o usuário não pilota o robô diretamente. Em vez disso, ele observa uma reconstrução 3D da sala remota dentro de seu capacete. Esta sala digital é construída para corresponder à real. Quando o usuário deseja se mover, ele aponta para um ponto no chão na sala digital e clica. O usuário aparece instantaneamente naquele ponto no mundo virtual, e o robô começa a dirigir até lá por conta própria. Durante o tempo que o robô leva para percorrer a distância, o usuário vê o robô se movendo no espaço digital, mas como o próprio corpo do usuário não está se movendo, o conflito sensorial é minimizado. Assim que o robô chega, a visão volta para a transmissão de vídeo ao vivo para que o usuário possa ver o mundo real claramente.

Os pesquisadores primeiro testaram este conceito usando um mapa digital que havia sido criado antes do experimento começar. Eles pediram aos participantes que navegassem com um robô por uma sala para encontrar objetos específicos, como verificar se um frasco de remédio estava presente ou se uma lata de lixo estava cheia. Metade dos participantes usou o método tradicional do joystick, enquanto a outra metade usou o sistema de teletransporte. Os resultados foram claros: aqueles que usaram o método de teletransporte relataram significativamente menos náusea. Em uma escala padrão usada para medir o enjeu de movimento, o grupo do joystick pontuou muito mais alto, indicando desconforto severo, enquanto o grupo do teletransporte pontuou próximo de zero. Além disso, o grupo do teletransporte completou mais tarefas de navegação no mesmo período de tempo. Eles também relataram sentir menos exaustão mental. Os participantes preferiram amplamente o método de teletransporte, com a maioria afirmando que o escolheria se tivesse que controlar um robô novamente.

Para garantir que esses resultados não fossem apenas uma coincidência de um mapa pré-fabricado, a equipe realizou um segundo estudo, mais desafiador. Desta vez, utilizaram um robô equipado com uma câmera especial que podia escanear a sala e construir o mapa 3D enquanto se movia. Isso significava que o ambiente digital estava sendo criado em tempo real, em vez de ser uma cópia perfeita feita antecipadamente. A tarefa era mais complexa, exigindo que o robô percorresse distâncias maiores em um espaço maior para realizar verificações observacionais, simulando um cenário do mundo real, como um assistente de cuidados para idosos. O atraso na transmissão de vídeo foi ligeiramente maior nesta configuração, medido em 1,8 segundos, devido à alta qualidade do vídeo e ao processamento necessário para o mapa em tempo real.

Mesmo com a adição de complexidade de um mapa vivo sendo construído, o método de teletransporte provou ser superior. Os participantes que usaram o sistema em tempo real experimentaram significativamente menos enjoo do que aqueles que usaram o joystick, embora as pontuações de enjoo geral tenham sido ligeiramente mais altas do que no primeiro estudo, provavelmente devido à maior duração da tarefa. O grupo do teletransporte também completou mais tarefas com sucesso. Os pesquisadores descobriram que o tempo que o robô levava para viajar não prejudicou a capacidade do usuário de planejar sua rota, pois o usuário podia ver todo o caminho no mapa digital e saltar para o destino imediatamente. Isso eliminou a frustração de tentar pilotar através de um feed de vídeo com atraso. A carga de trabalho subjetiva, ou o quão difícil os usuários sentiram que estavam trabalhando, também foi significamente menor para o grupo do teletransporte.

No entanto, o estudo revelou uma nuance surpreendente em relação à preferência do usuário. Embora o método de teletransporte fosse objetivamente melhor para a saúde e o desempenho, os participantes não o escolheram unanimemente como seu favorito. No segundo estudo, apenas cerca de dois terços dos participantes preferiram o método de teletransporte, enquanto o restante ainda escolheu o joystick tradicional. Os pesquisadores notaram que alguns usuários sentiam um controle mais forte quando podiam pilotar o robô eles mesmos, mesmo que isso os fizesse passar mal. Um participante mencionou sentir-se "desincorporado" ao usar o sistema de teletransporte, preferindo a conexão direta do joystick. Isso sugere que, embora a tecnologia resolva o problema físico do enjoo, o desejo psicológico por controle direto continua sendo um fator que os designers devem considerar.

Os pesquisadores também analisaram a facilidade de uso do sistema. O método de teletransporte recebeu uma pontuação ligeiramente superior em uma escala de usabilidade, mas as pontuações não foram excessivamente altas. Alguns participantes acharam frustrante quando o robô não conseguia alcançar um ponto que eles haviam selecionado no mapa digital, como quando se teletransportavam muito perto de uma parede ou objeto. Isso indica que o sistema precisa ser mais inteligente sobre quais pontos são alcançáveis, talvez mostrando um caminho claro ou restringindo o teletransporte a áreas seguras. Apesar desses pequenos problemas de usabilidade, os dados confirmam que o método funciona. Os pesquisadores concluíram que usar um ambiente reconstruído em 3D para teletransportar um robô é uma forma viável e eficaz de superar as limitações de conexões de alta latência.

Este trabalho demonstra que o futuro da robótica remota não depende necessariamente de uma internet mais rápida ou de câmeras melhores para reduzir o atraso. Em vez disso, pode depender de mudar a forma como os humanos interagem com a máquina. Ao permitir que o usuário pule a jornada com atraso e apareça instantaneamente no destino, o sistema remove o conflito sensorial que causa o enjoo. O estudo fornece evidências fortes de que esta abordagem permite que as pessoas naveguem em ambientes remotos de forma mais eficaz e confortável, mesmo quando a conexão é lenta. Embora a tecnologia ainda não seja perfeita, e alguns usuários ainda prefiram a sensação de controle direto, os resultados oferecem um caminho claro para tornar os sistemas de telepresença utilizáveis para o público em geral. A capacidade de verificar um ente querido ou inspecionar um local remoto sem se sentir mal poderia transformar como interagimos com o mundo além do nosso alcance imediato.