logo
FA 06/2020 Życie naukowe

Mariusz Karwowski

Trening w innym świecie

Podczas treningu albo rehabilitacji można pokazać użytkownikowi trajektorię ruchu, którą ma powtórzyć, a następnie ocenić prawidłowość wykonania i od razu przekazać informację zwrotną. Dotąd nie było to możliwe.

Zakładasz gogle, które przenoszą cię w sam środek amazońskiej dżungli. Znikąd pomocy, dookoła tylko gęstwina drzew, zwisających z nich lian i wijących się pnączy. Wydostanie się stamtąd będzie niemałym wyzwaniem. Zaczynasz z energią. Rękoma torujesz sobie drogę, co rusz odgarniając dzikie zarośla. Gdzieniegdzie trzeba podskoczyć, próbując pokonać zwalone pnie. Innym razem – schylić się, by nie zawadzić o rozrośnięte gałęzie. Tam, gdzie się da, biegniesz, aby zdążyć przed nadciągającym zmrokiem. Do tego musisz się opędzać od roju komarów, które w tym pełnym wilgoci miejscu znalazły swój raj na Ziemi. Masz już dość, a jeszcze czeka cię piroga, umożliwiająca przedostanie się na drugi brzeg rzeki. Cóż robić, ostatkiem sił chwytasz za wiosło. Wreszcie osiągasz cel. Czujesz satysfakcję, ale też… zmęczenie. I o to właśnie chodziło.

– Tworzymy komputerowy system, który w formie interaktywnej, angażującej gry wspomoże trening lub rehabilitację. Będzie to autorskie, przez nas opracowane oprogramowanie, służące do realizacji ćwiczeń pod kontrolą technologii śledzenia ruchu – mówi o eMotion dr inż. Magdalena Żuk z Politechniki Wrocławskiej, zaznaczając, że prace nad zasadami i scenariuszem gry jeszcze trwają, więc zamiast Amazonii równie dobrze może być survivalowy tor przeszkód, surrealistyczna kraina, a nawet… przestrzeń kosmiczna.

– W wirtualnej rzeczywistości ogranicza nas tylko wyobraźnia, więc pomysłów mamy mnóstwo. Żartujemy nawet, że chyba nic bardziej nie zmotywuje trenującego do biegu niż… szarżujący wprost na niego dzik – śmieje się laureatka ostatniej edycji programu LIDER.

Przysiad reakcyjny

Deszcz, spotkanie z przyjaciółmi, stan epidemii i związany z nim lockdown – powodów do odłożenia aktywności fizycznej na później można znaleźć nieskończenie wiele. Naukowcy z Dolnego Śląska pół żartem, pół serio żałują zresztą, że na pomysł nie wpadli wcześniej, bo w czasach koronawirusa byłby na wagę złota. Kiedy nie można pójść do siłowni czy klubu fitness, a joggingu czy przejażdżki na rowerze nie da się odbyć bez założenia maseczki, alternatywą są monotonne ćwiczenia w domu. Technologia wirtualnej rzeczywistości pomaga je uatrakcyjnić. Produkt tworzony od paru miesięcy w Katedrze Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej PWr ma za zadanie niejako suplementować aktywność na świeżym powietrzu wtedy, gdy nie możemy bądź po prostu nie mamy ochoty wyjść. W przypadku pacjentów po udarach ma ten dodatkowy walor, że umożliwi systematyczną rehabilitację, a to przecież warunek konieczny jej skuteczności. Nie będzie przy tym powielania żmudnych ćwiczeń z trenażerów czy bieżni. Seria przysiadów, wykroków lub wymachów zostanie bowiem powiązana z reakcją na pojawiające się z nagła przeszkody albo nadlatujące ni stąd, ni zowąd wirtualne przedmioty. Niezależnie od okoliczności, w jakich toczyć się będzie „akcja” treningowa, za najważniejsze autorzy uznają zmotywowanie odbiorcy do codziennej dawki ruchu.

Nie chcieli jednak po prostu przenosić do e-świata sali treningowej, bo po co wyważać otwarte dziś na tysiące sposobów drzwi. W przypadku eMotion – nazwa nie jest przypadkowa – określone zachowania ruchowe: skakanie po kamieniach leżących w wodzie, rysowanie obiektów w przestrzeni czy unikanie latających przedmiotów zostaną wymuszone w sposób naturalny. Użytkownik założy specjalnie przygotowany kostium, w którym zostaną umieszczone odblaskowe markery do śledzenia jego ruchu, a za pomocą gogli 3D wejdzie w świat, gdzie czekać już na niego będzie zestaw ćwiczeń pod postacią interaktywnej, immersyjnej, angażującej gry ruchowej. Ma ona wciągnąć użytkownika, sprawić, by chętnie wracał do ćwiczeń, robił postępy. O motywację nietrudno, jeśli zdoła się wywołać w nim emocje kojarzone z rywalizacją, współzawodnictwem, ale też przezwyciężaniem własnych słabości. Dzięki interakcji od razu dostanie informację zwrotną: jeśli podczas pokonywania przeszkody nie wpadnie do wody albo uda mu się uchronić przed nadlatującymi obiektami, to znaczy, że wykonał zadanie prawidłowo.

– Kluczowe jest dostosowanie poziomu trudności do użytkownika czy wręcz diagnozowanie jego sprawności na podstawie otrzymywanych danych. W trakcie gry będzie przecież możliwość zmierzenia zakresu ruchów, maksymalnej szybkości itp. No i jeszcze nie możemy zapomnieć o nagrodzie – systematyczny trening pozwoli na budowanie wirtualnego świata czy z laboratoriów 67 Forum Akademickie 6/2020 z laboratoriów zdobywanie zasobów bądź pokonywanie własnych rekordów – dodaje dr Żuk, która na stworzenie systemu otrzymała z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju 1,5 mln zł.

Fot. Jakub Mazur

Niczym kaskaderzy

Bazuje on na technologii śledzenia ruchu, która nie jest niczym nowym, bo choćby w praktyce klinicznej służy do obiektywnej, ilościowej, trójpłaszczyznowej analizy ruchu pacjentów. Z powodzeniem przyjęła się też w przemyśle rozrywkowym, gdzie pomaga tworzyć realistyczne animacje komputerowe na potrzeby produkcji gier czy filmów. „Złoty standard” wyznaczają kamerowe systemy optoelektroniczne, mierzące trajektorię odblaskowych znaczników, tzw. markerów, z dokładnością rzędu 0,1 mm. Dzięki kaskaderowi ubranemu w specjalny kostium ze znacznikami animowana postać porusza się później naturalnie, ma takąż gestykulację i mimikę. Naukowcy zwracają jednak uwagę, że obecne metody ilościowego opisu parametrów ruchu wymagają wielokamerowego, kosztownego systemu, odpowiednio przygotowanego pomieszczenia oraz czasochłonnego przygotowania użytkownika przez przeszkolony personel. Wdrożenie tej technologii do powszechnego użytku mija się z celem. Tańsze i bardziej praktyczne rozwiązanie wymaga z kolei opracowania nowych modeli biomechanicznych oraz metod rozpoznawania szkieletu, które pozwoliłyby na ilościowy opis ruchu człowieka z zastosowaniem systemu z ograniczoną liczbą kamer, lub niskobudżetowych kontrolerów ruchu będących częścią zestawów VR. Nie chodzi tu jednak o dołączane od pewnego czasu do konsol i stąd znane już większości pasjonatów sensory Kinect, których możliwości są mocno ograniczone. Owszem, nie wymagają one żadnych markerów, kostiumu czy gogli, ale zarazem, jedynie szacując przestrzenne położenie segmentów ciała, nie śledzą ruchów z taką dokładnością, jakiej wymaga ocena postępów, np. w kinezyterapii. We Wrocławiu chcą więc pójść inną drogą i wykorzystać technologię markerową, może mniej wygodną, ale umożliwiającą precyzję pomiarów. Sięgną też po sztuczną inteligencję: metody uczenia maszynowego pomogą przewidzieć położenie segmentów ciała oraz parametry kinematyczne, czyli np. kąty w stawach narządów ruchu.

– W kolejnym etapie będziemy odnosić to do konkretnych ćwiczeń i – już we współpracy z profesjonalnym studiem – stworzymy grę wykorzystującą zarówno tę technologię, jak i wirtualną rzeczywistość, czyli komputerowo wygenerowane środowisko, w którym użytkownik wchodzi w interakcje z wirtualnymi obiektami – tłumaczy wrocławska badaczka.

Dzięki immersyjnej rzeczywistości wirtualnej po założeniu gogli zanurzy się w zupełnie inny świat. Odpowiednio zaprojektowane modele 3D, poszczególne sceny, odczucie głębi, tylko wzmocnią doznania. Z jednej strony to „bajer”, nowinka technologiczna, z drugiej – całkiem nowe możliwości. Podczas treningu albo rehabilitacji można pokazać użytkownikowi trajektorię ruchu, którą ma powtórzyć, a następnie ocenić prawidłowość wykonania i od razu przekazać informację zwrotną. Dotąd nie było to możliwe. Naukowcy przewidują także mniej immersyjną opcję, w której wizualizacja wyświetlana byłaby na zewnętrznym monitorze, telewizorze czy rzutniku. To dla tych, którym gogle mogą przeszkadzać.

– Analiza ruchu człowieka to obszar bardzo mi bliski. O ile technologie medyczne są trudne do wdrożenia, o tyle w tym przypadku aplikacja jest znacznie łatwiejsza, nawet na własną rękę, przez spin-off czy start-up. Te produkty nie wiążą się bowiem z tak dużym ryzykiem – wyjaśnia dr Żuk, dla której to nie pierwszy tego typu projekt.

Awatar odbija piłkę

Jeszcze jako studentka zajmowała się technologią śledzenia ruchu ciała człowieka i jej wykorzystaniem w onkologii do wspomagania zabiegów resekcji i rekonstrukcji ubytków. Pracowała też m.in. nad systemem wspomagania zabiegu onkologicznego, w którym technologię śledzenia ruchu użyto do… położenia narzędzi w polu chirurgicznym. Wirtualne obiekty pokrywały się z rzeczywistym obrazem pola operacyjnego. Chirurg mógł korzystać z takiej „podpowiedzi” dzięki umieszczonym na głowie okularom rozszerzonej rzeczywistości. Moja rozmówczyni przyznaje, że wszystkie te projekty mają wiele wspólnego, bo stosuje się w nich podobne rozwiązania. Inspirację do najnowszego pomysłu podsunął szybki rozwój technologii VR, który wymusił zapotrzebowanie na coraz dokładniejsze sensory ruchu. Większość headsetów wirtualnej rzeczywistości pozwala już nie tylko na śledzenie głowy i rąk, ale i pozostałych części ciała, a także innych obiektów. Część graczy posiada taki sprzęt i by móc skorzystać z treningu w eMotion, wystarczy, że pobiorą aplikację.

Ale choć celem jest opracowanie metod śledzenia ruchu człowieka na potrzeby gier wspomagających aktywność ruchową i rehabilitację, to same metody są o wiele bardziej uniwersalne. Wykorzystać je będą mogli twórcy gier typowo rozrywkowych, jeśli zechcą stworzyć awatar gracza wykraczający poza same dłonie, np. ruchomy, realistyczny szkielet wchodzący w interakcje z obiektami wirtualnymi przy odbijaniu piłki czy walce z przeciwnikiem.

– Praca naukowców i inżynierów, a więc badania, technologie, pomiary, oprogramowanie, nie jest tutaj jedynym warunkiem osiągnięcia sukcesu. Liczy się też odbiorca. Kluczowe będzie dostosowanie nowych technologii do jego potrzeb i możliwości, a także nastawienie użytkownika i otwartość na nowe rozwiązania. Chcielibyśmy, aby na styku tych obszarów powstał przemyślany produkt, z którego ludzie zechcą korzystać – reklamuje dr Magdalena Żuk.

Oprócz specjalistów od biomechaniki inżynierskiej i mechatroników, którzy pracują nad opisem modelu ruchu człowieka, programistów, specjalisty z zakresu sztucznej inteligencji zaangażowała także eksperta od psychologii w grach komputerowych oraz fizjoterapeutę. Początki w tak interdyscyplinarnym zespole nie należały do łatwych, bo każdy miał inną wizję projektu. Rozbieżności na szczęście udało się przezwyciężyć. Efekty prac spodziewane są do końca 2022 roku. Testy i ocena działania odbywać się będą zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i np. w klubach fitness czy siłowniach. Tam będzie można zastosować zaawansowane systemy wielokamerowe. Ale naukowcy nie ukrywają, że eMotion kierują głównie do wszystkich zainteresowanych treningiem bądź rehabilitacją neurologiczną w warunkach domowych. Ma bowiem służyć temu, by za jego pomocą ćwiczyć samodzielnie. W dalszej perspektywie niewykluczona jest również współpraca online z instruktorem czy rehabilitantem. Użytkownik otrzymałby wówczas za pomocą edytora plan ćwiczeń: ich formę, liczbę powtórzeń etc., a raport z wykonania trafi do trenera, który będzie miał możliwość sprawdzenia poczynionych postępów. Wszystko po to, aby zachęcić ludzi do aktywności ruchowej. Jej brak, jak wynika z danych Międzynarodowego Stowarzyszenia Sportu i Kultury, przyczynia się do jednego na dziesięć zgonów w Europie. Oznacza to, że rocznie z tego powodu umiera ponad pół miliona ludzi. Nie chodzi przy tym o jakieś nadludzkie wyczyny, lecz o codzienny, raptem półgodzinny spacer czy popołudniową przejażdżkę rowerem. Jeśli choć co piąta z tych osób podejmie się takiego wyzwania, można uratować miasto wielkości Chorzowa czy Koszalina. Z eMotion nie trzeba będzie nawet wychodzić z domu.

Wróć