Integration of Action and Language Knowledge: A Roadmap for Developmental Robotics

“This material is presented to ensure timely dissemination of scholarly and technical work. Copyright and all rights therein are retained by authors or by other copyright holders. All persons copying this information are expected to adhere to the terms and constraints invoked by each author's copyright. In most cases, these works may not be reposted without the explicit permission of the copyright holder." “Copyright IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE.”This position paper proposes that the study of embodied cognitive agents, such as humanoid robots, can advance our understanding of the cognitive development of complex sensorimotor, linguistic, and social learning skills. This in turn will benefit the design of cognitive robots capable of learning to handle and manipulate objects and tools autonomously, to cooperate and communicate with other robots and humans, and to adapt their abilities to changing internal, environmental, and social conditions. Four key areas of research challenges are discussed, specifically for the issues related to the understanding of: 1) how agents learn and represent compositional actions; 2) how agents learn and represent compositional lexica; 3) the dynamics of social interaction and learning; and 4) how compositional action and language representations are integrated to bootstrap the cognitive system. The review of specific issues and progress in these areas is then translated into a practical roadmap based on a series of milestones. These milestones provide a possible set of cognitive robotics goals and test scenarios, thus acting as a research roadmap for future work on cognitive developmental robotics.Peer reviewe

Born to learn: The inspiration, progress, and future of evolved plastic artificial neural networks

Biological plastic neural networks are systems of extraordinary computational capabilities shaped by evolution, development, and lifetime learning. The interplay of these elements leads to the emergence of adaptive behavior and intelligence. Inspired by such intricate natural phenomena, Evolved Plastic Artificial Neural Networks (EPANNs) use simulated evolution in-silico to breed plastic neural networks with a large variety of dynamics, architectures, and plasticity rules: these artificial systems are composed of inputs, outputs, and plastic components that change in response to experiences in an environment. These systems may autonomously discover novel adaptive algorithms, and lead to hypotheses on the emergence of biological adaptation. EPANNs have seen considerable progress over the last two decades. Current scientific and technological advances in artificial neural networks are now setting the conditions for radically new approaches and results. In particular, the limitations of hand-designed networks could be overcome by more flexible and innovative solutions. This paper brings together a variety of inspiring ideas that define the field of EPANNs. The main methods and results are reviewed. Finally, new opportunities and developments are presented

Sensorimotor exploration: constraint awareness and social reinforcement in early vocal development

This research is motivated by the benefits that knowledge regarding early development in infants may provide to different fields of science. In particular, early sensorimotor exploration behaviors are studied in the framework of developmental robotics. The main objective is about understanding the role of motor constraint awareness and imitative behaviors during sensorimotor exploration. Particular emphasis is placed on prelinguistic vocal development because during this stage infants start to master the motor systems that will later allow them to pronounce their first words. Previous works have demonstrated that goal-directed intrinsically motivated sensorimotor exploration is an essential element for sensorimotor control learning. Moreover, evidence coming from biological sciences strongly suggests that knowledge acquisition is shaped by the environment in which an agent is embedded and the embodiment of the agent itself, including developmental processes that shape what can be learned and when. In this dissertation, we firstly provide a collection of theoretical evidence that supports the relevance of our study. Starting from concepts of cognitive and developmental sciences, we arrived al the conclusion that spoken language, i.e., early \/ocal development, must be studied asan embodied and situated phenomena. Considering a synthetic approach allow us to use robots and realistic simulators as artifacts to study natural cognitive phenomena. In this work, we adopta toy example to test our cognitive architectures and a speech synthesizer that mimics the mechanisms by which humans produce speech. Next, we introduce a mechanism to endow embodied agents with motor constraint awareness. lntrinsic motivation has been studied as an importan! element to explain the emergence of structured developmental stages during early vocal development. However, previous studies failed to acknowledge the constraints imposed by the embodiment and situatedness, al sensory, motor, cognitive and social levels. We assume that during the onset of sensorimotor exploratory behaviors, motor constraints are unknown to the developmental agent. Thus, the agent must discover and learn during exploration what !hose motor constraints are. The agent is endowed with a somesthetic system based on tactile information. This system generales a sensor signal indicating if a motor configuration was reached or not. This information is later used to create a somesthetic model to predict constraint violations. Finally, we propase to include social reinforcement during exploration. Sorne works studying early vocal development have shown that environmental speech shapes the sensory space explored during babbling. More generally, imitative behaviors have been demonstrated to be crucial for early development in children as they constraint the search space.during sensorimotor exploration. Therefore, based on early interactions of infants and caregivers we proposed an imitative mechanism to reinforce intrinsically motivated sensorimotor exploration with relevan! sensory units. Thus, we modified the constraints aware sensorimotor exploration architecture to include a social instructor, expert in sensor units relevant to communication, which interacts with the developmental agent. lnteraction occurs when the learner production is ·enough' similar to one relevan! to communication. In that case, the instructor perceives this similitude and reformulates with the relevan! sensor unit. When the learner perceives an utterance by the instructor, it attempts to imitate it. In general, our results suggest that somesthetic senses and social reinforcement contribute to achieving better results during intrinsically motivated exploration. Achieving lest redundant exploration, decreasing exploration and evaluation errors, as well as showing a clearer picture of developmental transitions.La motivación principal de este trabajo es la magnitud que las contribuciones al conocimiento en relación al desarrollo infantil pueden aportar a diferentes campos de la ciencia. Particularmente, este trabajo se enfoca en el estudio de los comportamientos de autoexploración sensorimotora en un marco robótico e inspirado en el campo de la psicología del desarrollo. Nuestro objetivo principal es entender el papel que juegan las restricciones motoras y los reflejos imitativos durante la exploración espontánea observada en infantes. Así mismo, este trabajo hace especial énfasis en el desarrollo vocal-auditivo en infantes, que les provee con las herramientas que les permitirán producir sus primeras palabras. Trabajos anteriores han demostrado que los comportamientos de autoexploración sensorimotora en niños, la cual ocurre en gran medida por motivaciones intrínsecas, es un elemento importante para aprender a controlar su cuerpo con tal de alcanzar estados sensoriales específicos. Además, evidencia obtenida de estudios biológicos sugiere tajantemente que la adquisición de conocimiento es regulada por el ambiente en el cual un agente cognitivo se desenvuelve y por el cuerpo del agente per se. Incluso, los procesos de desarrollo que ocurren a nivel físico, cognitivo y social también regulan que es aprendido y cuando esto es aprendido. La primera parte de este trabajo provee al lector con la evidencia teórica y práctica que demuestran la relevancia de esta investigación. Recorriendo conceptos que van desde las ciencias cognitivas y del desarrollo, llegamos a la conclusión de que el lenguaje, y por tanto el habla, deben ser estudiados como fenómenos cognitivos que requieren un cuerpo físico y además un ambiente propicio para su existencia. En la actualidad los sistemas robóticos, reales y simulados, pueden ser considerados como elementos para el estudio de los fenómenos cognitivos naturales. En este trabajo consideramos un ejemplo simple para probar las arquitecturas cognitivas que proponemos, y posteriormente utilizamos dichas arquitecturas con un sintetizador de voz similar al mecanismo humano de producción del habla. Como primera contribución de este trabajo proponemos introducir un mecanismo para construir robots capaces de considerar sus propias restricciones motoras durante la etapa de autoexploración sensorimotora. Ciertos mecanismos de motivación intrínseca para exploración sensorimotora han sido estudiados como posibles conductores de las trayectorias de desarrollo observadas durante el desarrollo temprano del habla. Sin embargo, en previos estudios no se consideró o que este desarrollo está a delimitado por restricciones debido al ambiente, al cuerpo físico, y a las capacidades sensoriales, motoras y cognitivas. En nuestra arquitectura, asumimos que un agente artificial no cuenta con conocimiento de sus limitantes motoras, y por tanto debe descubrirlas durante la etapa de autoexploración. Para tal efecto, el agente es proveído de un sistema somatosensorial que le indica cuando una configuración motora viola las restricciones impuestas por el propio cuerpo. Finalmente, como segunda parte de nuestra contribución proponemos incluir un mecanismo para reforzar el aprendizaje durante la autoexploración. Estudios anteriores demostraron que el ambiente lingüístico en que se desarrolla un infante, o un agente artificial, condiciona sus producciones vocales durante la autoexploración o balbuceo. En este trabajo nos enfocamos en el estudio de episodios de imitación que ocurren durante el desarrollo temprano de un agente. Basados en estudios sobre la interacción entre madres e hijos durante la etapa pre lingüística, proponemos un mecanismo para reforzar el aprendizaje durante la autoexploración con unidades sensoriales relevantes. Entonces, a partir de la arquitectura con autoconocimiento de restricciones motores, construimos una arquitectura que incluye un instructor experto en control sensorimotor. Las interacciones entre el aprendiz y el experto ocurren cuando el aprendiz produce una unidad sensorial relevante para la comunicación durante la autoexploración. En este caso, el experto percibe esta similitud y responde reformulando la producción del aprendiz como la unidad relevante. Cuando el aprendiz percibe una acción del experto, inmediatamente intenta imitarlo. Los resultados presentados en este trabajo sugieren que, los sistemas somatosensoriales, y el reforzamiento social contribuyen a lograr mejores resultados durante la etapa de autoexploración sensorimotora motivada intrínsecamente. En este sentido, se logra una exploración menos redundante, los errores de exploración y evaluación disminuyen, y por último se obtiene una imagen más nítida de las transiciones entre etapas del desarrollo.La motivació principal d'aquest treball és la magnitud que les contribucions al coneixement en relació al desenvolupament infantil poden aportar a diferents camps de la ciència. Particularment, aquest treball s'enfoca en l'estudi dels comportaments d’autoexploració sensorimotora en un marc robòtic i inspirat en el camp de la psicologia del desenvolupament. El nostre objectiu principal és entendre el paper que juguen les restriccions motores i els reflexos imitatius durant l’exploració espontània observada en infants. Així mateix, aquest treball fa especial èmfasi en el desenvolupament vocal-auditiu en infants, que els proveeix amb les eines que els permetran produir les seves primeres paraules. Treballs anteriors han demostrat que els comportaments d'autoexploració sensorimotora en nens, la qual ocorre en gran mesura per motivacions intrínseques, és un element important per aprendre a controlar el seu cos per tal d'assolir estats sensorials específics. A més, evidencies obtingudes d'estudis biològics suggereixen que l’adquisició de coneixement és regulada per l'ambient en el qual un agent cognitiu es desenvolupa i pel cos de l'agent per se. Fins i tot, els processos de desenvolupament que ocorren a nivell físic, cognitiu i social també regulen què és après i quan això ès après. La primera part d'aquest treball proveeix el lector amb les evidencies teòrica i pràctica que demostren la rellevància d'aquesta investigació. Recorrent conceptes que van des de les ciències cognitives i del desenvolupament, vam arribar a la conclusió que el llenguatge, i per tant la parla, han de ser estudiats com a fenòmens cognitius que requereixen un cos físic i a més un ambient propici per a la seva existència. En l'actualitat els sistemes robòtics, reals i simulats, poden ser considerats com a elements per a l'estudi dels fenòmens cognitius naturals. En aquest treball considerem un exemple simple per provar les arquitectures cognitives que proposem, i posteriorment utilitzem aquestes arquitectures amb un sintetitzador de veu similar al mecanisme humà de producció de la parla. Com a primera contribució d'aquest treball proposem introduir un mecanisme per construir robots capaços de considerar les seves pròpies restriccions motores durant l'etapa d'autoexploració sensorimotora. Certs mecanismes de motivació intrínseca per exploració sensorimotora han estat estudiats com a possibles conductors de les trajectòries de desenvolupament observades durant el desenvolupament primerenc de la parla. No obstant això, en previs estudis no es va considerar que aquest desenvolupament és delimitat per restriccions a causa de l'ambient, el cos físic, i les capacitats sensorials, motores i cognitives. A la nostra arquitectura, assumim que un agent artificial no compta amb coneixement dels seus limitants motors, i per tant ha de descobrir-los durant l'etapa d'autoexploració. Per a tal efecte, l'agent és proveït d'un sistema somatosensorial que li indica quan una configuració motora viola les restriccions imposades pel propi cos. Finalment, com a segona part de la nostra contribució proposem incloure un mecanisme per reforçar l'aprenentatge durant l'autoexploració. Estudis anteriors han demostrat que l'ambient lingüísticstic en què es desenvolupa un infant, o un agent artificial, condiciona les seves produccions vocals durant l'autoexploració o balboteig. En aquest treball ens enfoquem en l'estudi d'episodis d’imitació que ocorren durant el desenvolupament primerenc d'un agent. Basats en estudis sobre la interacció entre mares i fills durant l'etapa prelingüística, proposem un mecanisme per reforçar l'aprenentatge durant l'autoexploració amb unitats sensorials rellevants. Aleshores, a partir de l'arquitectura amb autoconeixement de restriccions motors, vam construir una arquitectura que inclou un instructor expert en control sensorimotor. Les interaccions entre l'aprenent i l'expert, ocorren quan una producció sensorial de l'aprenent durant l'autoexploració és similar a una unitat sensorial rellevant per a la comunicació. En aquest cas, l'expert percep aquesta similitud i respon reformulant la producció de l'aprenent com la unitat rellevant. Quan l'aprenent percep una acció de l'expert, immediatament intenta imitar-lo. Els resultats presentats en aquest treball suggereixen que els sistemes somatosensorials i el reforçament social contribueixen a aconseguir millors resultats durant l'etapa d'autoexploració sensorimotora motivada intrínsecament. En aquest sentit, s'aconsegueix una exploració menys redundant, els errors d’exploració i avaluació disminueixen, i finalment s’obté una imatge més nítida de les transicions entre etapes del desenvolupamen

Sensorimotor exploration: constraint awareness and social reinforcement in early vocal development

Aplicat embargament entra la data de defensa i el dia 31 d'agost de 2019This research is motivated by the benefits that knowledge regarding early development in infants may provide to different fields of science. In particular, early sensorimotor exploration behaviors are studied in the framework of developmental robotics. The main objective is about understanding the role of motor constraint awareness and imitative behaviors during sensorimotor exploration. Particular emphasis is placed on prelinguistic vocal development because during this stage infants start to master the motor systems that will later allow them to pronounce their first words. Previous works have demonstrated that goal-directed intrinsically motivated sensorimotor exploration is an essential element for sensorimotor control learning. Moreover, evidence coming from biological sciences strongly suggests that knowledge acquisition is shaped by the environment in which an agent is embedded and the embodiment of the agent itself, including developmental processes that shape what can be learned and when. In this dissertation, we firstly provide a collection of theoretical evidence that supports the relevance of our study. Starting from concepts of cognitive and developmental sciences, we arrived al the conclusion that spoken language, i.e., early \/ocal development, must be studied asan embodied and situated phenomena. Considering a synthetic approach allow us to use robots and realistic simulators as artifacts to study natural cognitive phenomena. In this work, we adopta toy example to test our cognitive architectures and a speech synthesizer that mimics the mechanisms by which humans produce speech. Next, we introduce a mechanism to endow embodied agents with motor constraint awareness. lntrinsic motivation has been studied as an importan! element to explain the emergence of structured developmental stages during early vocal development. However, previous studies failed to acknowledge the constraints imposed by the embodiment and situatedness, al sensory, motor, cognitive and social levels. We assume that during the onset of sensorimotor exploratory behaviors, motor constraints are unknown to the developmental agent. Thus, the agent must discover and learn during exploration what !hose motor constraints are. The agent is endowed with a somesthetic system based on tactile information. This system generales a sensor signal indicating if a motor configuration was reached or not. This information is later used to create a somesthetic model to predict constraint violations. Finally, we propase to include social reinforcement during exploration. Sorne works studying early vocal development have shown that environmental speech shapes the sensory space explored during babbling. More generally, imitative behaviors have been demonstrated to be crucial for early development in children as they constraint the search space.during sensorimotor exploration. Therefore, based on early interactions of infants and caregivers we proposed an imitative mechanism to reinforce intrinsically motivated sensorimotor exploration with relevan! sensory units. Thus, we modified the constraints aware sensorimotor exploration architecture to include a social instructor, expert in sensor units relevant to communication, which interacts with the developmental agent. lnteraction occurs when the learner production is ·enough' similar to one relevan! to communication. In that case, the instructor perceives this similitude and reformulates with the relevan! sensor unit. When the learner perceives an utterance by the instructor, it attempts to imitate it. In general, our results suggest that somesthetic senses and social reinforcement contribute to achieving better results during intrinsically motivated exploration. Achieving lest redundant exploration, decreasing exploration and evaluation errors, as well as showing a clearer picture of developmental transitions.La motivación principal de este trabajo es la magnitud que las contribuciones al conocimiento en relación al desarrollo infantil pueden aportar a diferentes campos de la ciencia. Particularmente, este trabajo se enfoca en el estudio de los comportamientos de autoexploración sensorimotora en un marco robótico e inspirado en el campo de la psicología del desarrollo. Nuestro objetivo principal es entender el papel que juegan las restricciones motoras y los reflejos imitativos durante la exploración espontánea observada en infantes. Así mismo, este trabajo hace especial énfasis en el desarrollo vocal-auditivo en infantes, que les provee con las herramientas que les permitirán producir sus primeras palabras. Trabajos anteriores han demostrado que los comportamientos de autoexploración sensorimotora en niños, la cual ocurre en gran medida por motivaciones intrínsecas, es un elemento importante para aprender a controlar su cuerpo con tal de alcanzar estados sensoriales específicos. Además, evidencia obtenida de estudios biológicos sugiere tajantemente que la adquisición de conocimiento es regulada por el ambiente en el cual un agente cognitivo se desenvuelve y por el cuerpo del agente per se. Incluso, los procesos de desarrollo que ocurren a nivel físico, cognitivo y social también regulan que es aprendido y cuando esto es aprendido. La primera parte de este trabajo provee al lector con la evidencia teórica y práctica que demuestran la relevancia de esta investigación. Recorriendo conceptos que van desde las ciencias cognitivas y del desarrollo, llegamos a la conclusión de que el lenguaje, y por tanto el habla, deben ser estudiados como fenómenos cognitivos que requieren un cuerpo físico y además un ambiente propicio para su existencia. En la actualidad los sistemas robóticos, reales y simulados, pueden ser considerados como elementos para el estudio de los fenómenos cognitivos naturales. En este trabajo consideramos un ejemplo simple para probar las arquitecturas cognitivas que proponemos, y posteriormente utilizamos dichas arquitecturas con un sintetizador de voz similar al mecanismo humano de producción del habla. Como primera contribución de este trabajo proponemos introducir un mecanismo para construir robots capaces de considerar sus propias restricciones motoras durante la etapa de autoexploración sensorimotora. Ciertos mecanismos de motivación intrínseca para exploración sensorimotora han sido estudiados como posibles conductores de las trayectorias de desarrollo observadas durante el desarrollo temprano del habla. Sin embargo, en previos estudios no se consideró o que este desarrollo está a delimitado por restricciones debido al ambiente, al cuerpo físico, y a las capacidades sensoriales, motoras y cognitivas. En nuestra arquitectura, asumimos que un agente artificial no cuenta con conocimiento de sus limitantes motoras, y por tanto debe descubrirlas durante la etapa de autoexploración. Para tal efecto, el agente es proveído de un sistema somatosensorial que le indica cuando una configuración motora viola las restricciones impuestas por el propio cuerpo. Finalmente, como segunda parte de nuestra contribución proponemos incluir un mecanismo para reforzar el aprendizaje durante la autoexploración. Estudios anteriores demostraron que el ambiente lingüístico en que se desarrolla un infante, o un agente artificial, condiciona sus producciones vocales durante la autoexploración o balbuceo. En este trabajo nos enfocamos en el estudio de episodios de imitación que ocurren durante el desarrollo temprano de un agente. Basados en estudios sobre la interacción entre madres e hijos durante la etapa pre lingüística, proponemos un mecanismo para reforzar el aprendizaje durante la autoexploración con unidades sensoriales relevantes. Entonces, a partir de la arquitectura con autoconocimiento de restricciones motores, construimos una arquitectura que incluye un instructor experto en control sensorimotor. Las interacciones entre el aprendiz y el experto ocurren cuando el aprendiz produce una unidad sensorial relevante para la comunicación durante la autoexploración. En este caso, el experto percibe esta similitud y responde reformulando la producción del aprendiz como la unidad relevante. Cuando el aprendiz percibe una acción del experto, inmediatamente intenta imitarlo. Los resultados presentados en este trabajo sugieren que, los sistemas somatosensoriales, y el reforzamiento social contribuyen a lograr mejores resultados durante la etapa de autoexploración sensorimotora motivada intrínsecamente. En este sentido, se logra una exploración menos redundante, los errores de exploración y evaluación disminuyen, y por último se obtiene una imagen más nítida de las transiciones entre etapas del desarrollo.La motivació principal d'aquest treball és la magnitud que les contribucions al coneixement en relació al desenvolupament infantil poden aportar a diferents camps de la ciència. Particularment, aquest treball s'enfoca en l'estudi dels comportaments d’autoexploració sensorimotora en un marc robòtic i inspirat en el camp de la psicologia del desenvolupament. El nostre objectiu principal és entendre el paper que juguen les restriccions motores i els reflexos imitatius durant l’exploració espontània observada en infants. Així mateix, aquest treball fa especial èmfasi en el desenvolupament vocal-auditiu en infants, que els proveeix amb les eines que els permetran produir les seves primeres paraules. Treballs anteriors han demostrat que els comportaments d'autoexploració sensorimotora en nens, la qual ocorre en gran mesura per motivacions intrínseques, és un element important per aprendre a controlar el seu cos per tal d'assolir estats sensorials específics. A més, evidencies obtingudes d'estudis biològics suggereixen que l’adquisició de coneixement és regulada per l'ambient en el qual un agent cognitiu es desenvolupa i pel cos de l'agent per se. Fins i tot, els processos de desenvolupament que ocorren a nivell físic, cognitiu i social també regulen què és après i quan això ès après. La primera part d'aquest treball proveeix el lector amb les evidencies teòrica i pràctica que demostren la rellevància d'aquesta investigació. Recorrent conceptes que van des de les ciències cognitives i del desenvolupament, vam arribar a la conclusió que el llenguatge, i per tant la parla, han de ser estudiats com a fenòmens cognitius que requereixen un cos físic i a més un ambient propici per a la seva existència. En l'actualitat els sistemes robòtics, reals i simulats, poden ser considerats com a elements per a l'estudi dels fenòmens cognitius naturals. En aquest treball considerem un exemple simple per provar les arquitectures cognitives que proposem, i posteriorment utilitzem aquestes arquitectures amb un sintetitzador de veu similar al mecanisme humà de producció de la parla. Com a primera contribució d'aquest treball proposem introduir un mecanisme per construir robots capaços de considerar les seves pròpies restriccions motores durant l'etapa d'autoexploració sensorimotora. Certs mecanismes de motivació intrínseca per exploració sensorimotora han estat estudiats com a possibles conductors de les trajectòries de desenvolupament observades durant el desenvolupament primerenc de la parla. No obstant això, en previs estudis no es va considerar que aquest desenvolupament és delimitat per restriccions a causa de l'ambient, el cos físic, i les capacitats sensorials, motores i cognitives. A la nostra arquitectura, assumim que un agent artificial no compta amb coneixement dels seus limitants motors, i per tant ha de descobrir-los durant l'etapa d'autoexploració. Per a tal efecte, l'agent és proveït d'un sistema somatosensorial que li indica quan una configuració motora viola les restriccions imposades pel propi cos. Finalment, com a segona part de la nostra contribució proposem incloure un mecanisme per reforçar l'aprenentatge durant l'autoexploració. Estudis anteriors han demostrat que l'ambient lingüísticstic en què es desenvolupa un infant, o un agent artificial, condiciona les seves produccions vocals durant l'autoexploració o balboteig. En aquest treball ens enfoquem en l'estudi d'episodis d’imitació que ocorren durant el desenvolupament primerenc d'un agent. Basats en estudis sobre la interacció entre mares i fills durant l'etapa prelingüística, proposem un mecanisme per reforçar l'aprenentatge durant l'autoexploració amb unitats sensorials rellevants. Aleshores, a partir de l'arquitectura amb autoconeixement de restriccions motors, vam construir una arquitectura que inclou un instructor expert en control sensorimotor. Les interaccions entre l'aprenent i l'expert, ocorren quan una producció sensorial de l'aprenent durant l'autoexploració és similar a una unitat sensorial rellevant per a la comunicació. En aquest cas, l'expert percep aquesta similitud i respon reformulant la producció de l'aprenent com la unitat rellevant. Quan l'aprenent percep una acció de l'expert, immediatament intenta imitar-lo. Els resultats presentats en aquest treball suggereixen que els sistemes somatosensorials i el reforçament social contribueixen a aconseguir millors resultats durant l'etapa d'autoexploració sensorimotora motivada intrínsecament. En aquest sentit, s'aconsegueix una exploració menys redundant, els errors d’exploració i avaluació disminueixen, i finalment s’obté una imatge més nítida de les transicions entre etapes del desenvolupamentPostprint (published version

Exploring Virtual Reality and Doppelganger Avatars for the Treatment of Chronic Back Pain

Cognitive-behavioral models of chronic pain assume that fear of pain and subsequent avoidance behavior contribute to pain chronicity and the maintenance of chronic pain. In chronic back pain (CBP), avoidance of movements often plays a major role in pain perseverance and interference with daily life activities. In treatment, avoidance is often addressed by teaching patients to reduce pain behaviors and increase healthy behaviors. The current project explored the use of personalized virtual characters (doppelganger avatars) in virtual reality (VR), to influence motor imitation and avoidance, fear of pain and experienced pain in CBP. We developed a method to create virtual doppelgangers, to animate them with movements captured from real-world models, and to present them to participants in an immersive cave virtual environment (CAVE) as autonomous movement models for imitation. Study 1 investigated interactions between model and observer characteristics in imitation behavior of healthy participants. We tested the hypothesis that perceived affiliative characteristics of a virtual model, such as similarity to the observer and likeability, would facilitate observers’ engagement in voluntary motor imitation. In a within-subject design (N=33), participants were exposed to four virtual characters of different degrees of realism and observer similarity, ranging from an abstract stickperson to a personalized doppelganger avatar designed from 3d scans of the observer. The characters performed different trunk movements and participants were asked to imitate these. We defined functional ranges of motion (ROM) for spinal extension (bending backward, BB), lateral flexion (bending sideward, BS) and rotation in the horizontal plane (RH) based on shoulder marker trajectories as behavioral indicators of imitation. Participants’ ratings on perceived avatar appearance were recorded in an Autonomous Avatar Questionnaire (AAQ), based on an explorative factor analysis. Linear mixed effects models revealed that for lateral flexion (BS), a facilitating influence of avatar type on ROM was mediated by perceived identification with the avatar including avatar likeability, avatar-observer-similarity and other affiliative characteristics. These findings suggest that maximizing model-observer similarity may indeed be useful to stimulate observational modeling. Study 2 employed the techniques developed in study 1 with participants who suffered from CBP and extended the setup with real-world elements, creating an immersive mixed reality. The research question was whether virtual doppelgangers could modify motor behaviors, pain expectancy and pain. In a randomized controlled between-subject design, participants observed and imitated an avatar (AVA, N=17) or a videotaped model (VID, N=16) over three sessions, during which the movements BS and RH as well as a new movement (moving a beverage crate) were shown. Again, self-reports and ROMs were used as measures. The AVA group reported reduced avoidance with no significant group differences in ROM. Pain expectancy increased in AVA but not VID over the sessions. Pain and limitations did not significantly differ. We observed a moderation effect of group, with prior pain expectancy predicting pain and avoidance in the VID but not in the AVA group. This can be interpreted as an effect of personalized movement models decoupling pain behavior from movement-related fear and pain expectancy by increasing pain tolerance and task persistence. Our findings suggest that personalized virtual movement models can stimulate observational modeling in general, and that they can increase pain tolerance and persistence in chronic pain conditions. Thus, they may provide a tool for exposure and exercise treatments in cognitive behavioral treatment approaches to CBP