Emergent coordination between humans and robots

Emergent coordination or movement synchronization is an often observed phenomenon in human behavior. Humans synchronize their gait when walking next to each other, they synchronize their postural sway when standing closely, and they also synchronize their movement behavior in many other situations of daily life. Why humans are doing this is an important question of ongoing research in many disciplines: apparently movement synchronization plays a role in children’s development and learning; it is related to our social and emotional behavior in interaction with others; it is an underlying principle in the organization of communication by means of language and gesture; and finally, models explaining movement synchronization between two individuals can also be extended to group behavior. Overall, one can say that movement synchronization is an important principle of human interaction behavior. Besides interacting with other humans, in recent years humans do more and more interact with technology. This was first expressed in the interaction with machines in industrial settings, was taken further to human-computer interaction and is now facing a new challenge: the interaction with active and autonomous machines, the interaction with robots. If the vision of today’s robot developers comes true, in the near future robots will be fully integrated not only in our workplace, but also in our private lives. They are supposed to support humans in activities of daily living and even care for them. These circumstances however require the development of interactional principles which the robot can apply to the direct interaction with humans. In this dissertation the problem of robots entering the human society will be outlined and the need for the exploration of human interaction principles that are transferable to human-robot interaction will be emphasized. Furthermore, an overview on human movement synchronization as a very important phenomenon in human interaction will be given, ranging from neural correlates to social behavior. The argument of this dissertation is that human movement synchronization is a simple but striking human interaction principle that can be applied in human-robot interaction to support human activity of daily living, demonstrated on the example of pick-and-place tasks. This argument is based on five publications. In the first publication, human movement synchronization is explored in goal-directed tasks which bare similar requirements as pick-and-place tasks in activities of daily living. In order to explore if a merely repetitive action of the robot is sufficient to encourage human movement synchronization, the second publication reports a human-robot interaction study in which a human interacts with a non-adaptive robot. Here however, movement synchronization between human and robot does not emerge, which underlines the need for adaptive mechanisms. Therefore, in the third publication, human adaptive behavior in goal-directed movement synchronization is explored. In order to make the findings from the previous studies applicable to human-robot interaction, in the fourth publication the development of an interaction model based on dynamical systems theory is outlined which is ready for implementation on a robotic platform. Following this, a brief overview on a first human-robot interaction study based on the developed interaction model is provided. The last publication describes an extension of the previous approach which also includes the human tendency to make use of events to adapt their movements to. Here, also a first human-robot interaction study is reported which confirms the applicability of the model. The dissertation concludes with a discussion on the presented findings in the light of human-robot interaction and psychological aspects of joint action research as well as the problem of mutual adaptation.Spontan auftretende Koordination oder Bewegungssynchronisierung ist ein häufig zu beobachtendes Phänomen im Verhalten von Menschen. Menschen synchronisieren ihre Schritte beim nebeneinander hergehen, sie synchronisieren die Schwingbewegung zum Ausgleich der Körperbalance wenn sie nahe beieinander stehen und sie synchronisieren ihr Bewegungsverhalten generell in vielen weiteren Handlungen des täglichen Lebens. Die Frage nach dem warum ist eine Frage mit der sich die Forschung in der Psychologie, Neuro- und Bewegungswissenschaft aber auch in der Sozialwissenschaft nach wie vor beschäftigt: offenbar spielt die Bewegungssynchronisierung eine Rolle in der kindlichen Entwicklung und beim Erlernen von Fähigkeiten und Verhaltensmustern; sie steht in direktem Bezug zu unserem sozialen Verhalten und unserer emotionalen Wahrnehmung in der Interaktion mit Anderen; sie ist ein grundlegendes Prinzip in der Organisation von Kommunikation durch Sprache oder Gesten; außerdem können Modelle, die Bewegungssynchronisierung zwischen zwei Individuen erklären, auch auf das Verhalten innerhalb von Gruppen ausgedehnt werden. Insgesamt kann man also sagen, dass Bewegungssynchronisierung ein wichtiges Prinzip im menschlichen Interaktionsverhalten darstellt. Neben der Interaktion mit anderen Menschen interagieren wir in den letzten Jahren auch zunehmend mit der uns umgebenden Technik. Hier fand zunächst die Interaktion mit Maschinen im industriellen Umfeld Beachtung, später die Mensch-Computer-Interaktion. Seit kurzem sind wir jedoch mit einer neuen Herausforderung konfrontiert: der Interaktion mit aktiven und autonomen Maschinen, Maschinen die sich bewegen und aktiv mit Menschen interagieren, mit Robotern. Sollte die Vision der heutigen Roboterentwickler Wirklichkeit werde, so werden Roboter in der nahen Zukunft nicht nur voll in unser Arbeitsumfeld integriert sein, sondern auch in unser privates Leben. Roboter sollen den Menschen in ihren täglichen Aktivitäten unterstützen und sich sogar um sie kümmern. Diese Umstände erfordern die Entwicklung von neuen Interaktionsprinzipien, welche Roboter in der direkten Koordination mit dem Menschen anwenden können. In dieser Dissertation wird zunächst das Problem umrissen, welches sich daraus ergibt, dass Roboter zunehmend Einzug in die menschliche Gesellschaft finden. Außerdem wird die Notwendigkeit der Untersuchung menschlicher Interaktionsprinzipien, die auf die Mensch-Roboter-Interaktion transferierbar sind, hervorgehoben. Die Argumentation der Dissertation ist, dass die menschliche Bewegungssynchronisierung ein einfaches aber bemerkenswertes menschliches Interaktionsprinzip ist, welches in der Mensch-Roboter-Interaktion angewendet werden kann um menschliche Aktivitäten des täglichen Lebens, z.B. Aufnahme-und-Ablege-Aufgaben (pick-and-place tasks), zu unterstützen. Diese Argumentation wird auf fünf Publikationen gestützt. In der ersten Publikation wird die menschliche Bewegungssynchronisierung in einer zielgerichteten Aufgabe untersucht, welche die gleichen Anforderungen erfüllt wie die Aufnahme- und Ablageaufgaben des täglichen Lebens. Um zu untersuchen ob eine rein repetitive Bewegung des Roboters ausreichend ist um den Menschen zur Etablierung von Bewegungssynchronisierung zu ermutigen, wird in der zweiten Publikation eine Mensch-Roboter-Interaktionsstudie vorgestellt in welcher ein Mensch mit einem nicht-adaptiven Roboter interagiert. In dieser Studie wird jedoch keine Bewegungssynchronisierung zwischen Mensch und Roboter etabliert, was die Notwendigkeit von adaptiven Mechanismen unterstreicht. Daher wird in der dritten Publikation menschliches Adaptationsverhalten in der Bewegungssynchronisierung in zielgerichteten Aufgaben untersucht. Um die so gefundenen Mechanismen für die Mensch-Roboter Interaktion nutzbar zu machen, wird in der vierten Publikation die Entwicklung eines Interaktionsmodells basierend auf Dynamischer Systemtheorie behandelt. Dieses Modell kann direkt in eine Roboterplattform implementiert werden. Anschließend wird kurz auf eine erste Studie zur Mensch- Roboter Interaktion basierend auf dem entwickelten Modell eingegangen. Die letzte Publikation beschreibt eine Weiterentwicklung des bisherigen Vorgehens welche der Tendenz im menschlichen Verhalten Rechnung trägt, die Bewegungen an Ereignissen auszurichten. Hier wird außerdem eine erste Mensch-Roboter- Interaktionsstudie vorgestellt, die die Anwendbarkeit des Modells bestätigt. Die Dissertation wird mit einer Diskussion der präsentierten Ergebnisse im Kontext der Mensch-Roboter-Interaktion und psychologischer Aspekte der Interaktionsforschung sowie der Problematik von beiderseitiger Adaptivität abgeschlossen

Emergent coordination between humans and robots

Emergent coordination or movement synchronization is an often observed phenomenon in human behavior. Humans synchronize their gait when walking next to each other, they synchronize their postural sway when standing closely, and they also synchronize their movement behavior in many other situations of daily life. Why humans are doing this is an important question of ongoing research in many disciplines: apparently movement synchronization plays a role in children’s development and learning; it is related to our social and emotional behavior in interaction with others; it is an underlying principle in the organization of communication by means of language and gesture; and finally, models explaining movement synchronization between two individuals can also be extended to group behavior. Overall, one can say that movement synchronization is an important principle of human interaction behavior. Besides interacting with other humans, in recent years humans do more and more interact with technology. This was first expressed in the interaction with machines in industrial settings, was taken further to human-computer interaction and is now facing a new challenge: the interaction with active and autonomous machines, the interaction with robots. If the vision of today’s robot developers comes true, in the near future robots will be fully integrated not only in our workplace, but also in our private lives. They are supposed to support humans in activities of daily living and even care for them. These circumstances however require the development of interactional principles which the robot can apply to the direct interaction with humans. In this dissertation the problem of robots entering the human society will be outlined and the need for the exploration of human interaction principles that are transferable to human-robot interaction will be emphasized. Furthermore, an overview on human movement synchronization as a very important phenomenon in human interaction will be given, ranging from neural correlates to social behavior. The argument of this dissertation is that human movement synchronization is a simple but striking human interaction principle that can be applied in human-robot interaction to support human activity of daily living, demonstrated on the example of pick-and-place tasks. This argument is based on five publications. In the first publication, human movement synchronization is explored in goal-directed tasks which bare similar requirements as pick-and-place tasks in activities of daily living. In order to explore if a merely repetitive action of the robot is sufficient to encourage human movement synchronization, the second publication reports a human-robot interaction study in which a human interacts with a non-adaptive robot. Here however, movement synchronization between human and robot does not emerge, which underlines the need for adaptive mechanisms. Therefore, in the third publication, human adaptive behavior in goal-directed movement synchronization is explored. In order to make the findings from the previous studies applicable to human-robot interaction, in the fourth publication the development of an interaction model based on dynamical systems theory is outlined which is ready for implementation on a robotic platform. Following this, a brief overview on a first human-robot interaction study based on the developed interaction model is provided. The last publication describes an extension of the previous approach which also includes the human tendency to make use of events to adapt their movements to. Here, also a first human-robot interaction study is reported which confirms the applicability of the model. The dissertation concludes with a discussion on the presented findings in the light of human-robot interaction and psychological aspects of joint action research as well as the problem of mutual adaptation.Spontan auftretende Koordination oder Bewegungssynchronisierung ist ein häufig zu beobachtendes Phänomen im Verhalten von Menschen. Menschen synchronisieren ihre Schritte beim nebeneinander hergehen, sie synchronisieren die Schwingbewegung zum Ausgleich der Körperbalance wenn sie nahe beieinander stehen und sie synchronisieren ihr Bewegungsverhalten generell in vielen weiteren Handlungen des täglichen Lebens. Die Frage nach dem warum ist eine Frage mit der sich die Forschung in der Psychologie, Neuro- und Bewegungswissenschaft aber auch in der Sozialwissenschaft nach wie vor beschäftigt: offenbar spielt die Bewegungssynchronisierung eine Rolle in der kindlichen Entwicklung und beim Erlernen von Fähigkeiten und Verhaltensmustern; sie steht in direktem Bezug zu unserem sozialen Verhalten und unserer emotionalen Wahrnehmung in der Interaktion mit Anderen; sie ist ein grundlegendes Prinzip in der Organisation von Kommunikation durch Sprache oder Gesten; außerdem können Modelle, die Bewegungssynchronisierung zwischen zwei Individuen erklären, auch auf das Verhalten innerhalb von Gruppen ausgedehnt werden. Insgesamt kann man also sagen, dass Bewegungssynchronisierung ein wichtiges Prinzip im menschlichen Interaktionsverhalten darstellt. Neben der Interaktion mit anderen Menschen interagieren wir in den letzten Jahren auch zunehmend mit der uns umgebenden Technik. Hier fand zunächst die Interaktion mit Maschinen im industriellen Umfeld Beachtung, später die Mensch-Computer-Interaktion. Seit kurzem sind wir jedoch mit einer neuen Herausforderung konfrontiert: der Interaktion mit aktiven und autonomen Maschinen, Maschinen die sich bewegen und aktiv mit Menschen interagieren, mit Robotern. Sollte die Vision der heutigen Roboterentwickler Wirklichkeit werde, so werden Roboter in der nahen Zukunft nicht nur voll in unser Arbeitsumfeld integriert sein, sondern auch in unser privates Leben. Roboter sollen den Menschen in ihren täglichen Aktivitäten unterstützen und sich sogar um sie kümmern. Diese Umstände erfordern die Entwicklung von neuen Interaktionsprinzipien, welche Roboter in der direkten Koordination mit dem Menschen anwenden können. In dieser Dissertation wird zunächst das Problem umrissen, welches sich daraus ergibt, dass Roboter zunehmend Einzug in die menschliche Gesellschaft finden. Außerdem wird die Notwendigkeit der Untersuchung menschlicher Interaktionsprinzipien, die auf die Mensch-Roboter-Interaktion transferierbar sind, hervorgehoben. Die Argumentation der Dissertation ist, dass die menschliche Bewegungssynchronisierung ein einfaches aber bemerkenswertes menschliches Interaktionsprinzip ist, welches in der Mensch-Roboter-Interaktion angewendet werden kann um menschliche Aktivitäten des täglichen Lebens, z.B. Aufnahme-und-Ablege-Aufgaben (pick-and-place tasks), zu unterstützen. Diese Argumentation wird auf fünf Publikationen gestützt. In der ersten Publikation wird die menschliche Bewegungssynchronisierung in einer zielgerichteten Aufgabe untersucht, welche die gleichen Anforderungen erfüllt wie die Aufnahme- und Ablageaufgaben des täglichen Lebens. Um zu untersuchen ob eine rein repetitive Bewegung des Roboters ausreichend ist um den Menschen zur Etablierung von Bewegungssynchronisierung zu ermutigen, wird in der zweiten Publikation eine Mensch-Roboter-Interaktionsstudie vorgestellt in welcher ein Mensch mit einem nicht-adaptiven Roboter interagiert. In dieser Studie wird jedoch keine Bewegungssynchronisierung zwischen Mensch und Roboter etabliert, was die Notwendigkeit von adaptiven Mechanismen unterstreicht. Daher wird in der dritten Publikation menschliches Adaptationsverhalten in der Bewegungssynchronisierung in zielgerichteten Aufgaben untersucht. Um die so gefundenen Mechanismen für die Mensch-Roboter Interaktion nutzbar zu machen, wird in der vierten Publikation die Entwicklung eines Interaktionsmodells basierend auf Dynamischer Systemtheorie behandelt. Dieses Modell kann direkt in eine Roboterplattform implementiert werden. Anschließend wird kurz auf eine erste Studie zur Mensch- Roboter Interaktion basierend auf dem entwickelten Modell eingegangen. Die letzte Publikation beschreibt eine Weiterentwicklung des bisherigen Vorgehens welche der Tendenz im menschlichen Verhalten Rechnung trägt, die Bewegungen an Ereignissen auszurichten. Hier wird außerdem eine erste Mensch-Roboter- Interaktionsstudie vorgestellt, die die Anwendbarkeit des Modells bestätigt. Die Dissertation wird mit einer Diskussion der präsentierten Ergebnisse im Kontext der Mensch-Roboter-Interaktion und psychologischer Aspekte der Interaktionsforschung sowie der Problematik von beiderseitiger Adaptivität abgeschlossen

Age appropriate reference intervals for eight kidney function and injury markers in infants, children and adolescents.

Objectives The use of kidney function and injury markers for early detection of drug-related glomerular or tubular kidney injury in infants, children and adolescents requires age-specific data on reference intervals in a pediatric healthy population. This study characterizes serum values for eight kidney function and injury markers in healthy infants, children and adolescents. Methods A single center prospective observational study was conducted between December 2018 and June 2019. Serum samples from 142 healthy infants, children and adolescents aged between 0 and ≤15 years were collected. Statistical analyses for eight markers (albumin (ALB), β2-microglobulin (B2M), β-trace protein (BTP), creatinine (SCR), cystatin C (CYSC), kidney injury molecule-1 (KIM-1), neutrophil gelatinase-associated lipocalin (NGAL), uromodulin (URO)) were performed to obtain reference intervals and associations with age, sex and weight were investigated (Pearson correlation, linear and piecewise regression). Results ALB and SCR increased with age (p<0.01), whereas B2M, BTP and KIM-1 values decreased with advancing age (p<0.05) in this healthy pediatric study population. CYSC showed dependency on sex (lower concentration in females) and decreased with age until reaching approximately 1.8 years; thereafter an increase with age was seen. NGAL and URO did not show any age-dependency. Conclusions This study provides age appropriate reference intervals for key serum kidney function and injury markers determined in healthy infants, children and adolescents. Such reference intervals facilitate the interpretation of changes in kidney function and injury markers in daily practice, and allow early detection of glomerular and tubular injury in infancy, childhood and adolescence

Low-Surface-Brightness Galaxies in the Sloan Digital Sky Survey. I. Search Method and Test Sample

In this paper we present results of a pilot study to use imaging data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) to search for low-surface-brightness (LSB) galaxies. For our pilot study we use a test sample of 92 galaxies from the catalog of Impey et al. (1996) distributed over 93 SDSS fields of the Early Data Release (EDR). Many galaxies from the test sample are either LSB or dwarf galaxies. To deal with the SDSS data most effectively a new photometry software was created, which is described in this paper. We present the results of the selection algorithms applied to these 93 EDR fields. Two galaxies from the Impey et al. test sample are very likely artifacts, as confirmed by follow-up imaging. With our algorithms, we were able to recover 87 of the 90 remaining test sample galaxies, implying a detection rate of $\sim$96.5%. The three missed galaxies fall too close to very bright stars or galaxies. In addition, 42 new galaxies with parameters similar to the test sample objects were found in these EDR fields (i.e., $\sim$47% additional galaxies). We present the main photometric parameters of all identified galaxies and carry out first statistical comparisons. We tested the quality of our photometry by comparing the magnitudes for our test sample galaxies and other bright galaxies with values from the literature. All these tests yielded consistent results. We briefly discuss a few unusual galaxies found in our pilot study, including an LSB galaxy with a two-component disk and ten new giant LSB galaxies.Comment: 36 pages, 16 figures, accepted for publication by AJ, some figures were bitmapped to reduce the siz

Evaluation of the behavioral and affective outcomes of novice teachers working in professional development schools versus non-professional development schools.

The purpose of this study was to evaluate the outcomes of teacher preparation based in Professional Development Schools (PDSs) in secondary education in The Netherlands over a period of three years. Approximately 150 teachers in non-PDSs were compared with 50 teachers in PDSs with declining response rates. Classroom observation ratings and student perceptions of PDS teachers in the second year were higher compared to non-PDS teachers. PDS teachers reported higher levels of teacher efficacy in each year. PDS-based teachers evaluated their teacher preparation and their learning opportunities significantly more positively compared to non-PDS-based teachers. Even though the sample size is not large and the design of the study does not warrant causality claims, the findings point towards increased transition smoothness and improved adhesiveness between teacher education preparation and the requirements on the job. Future investments in the co-operation between schools and teacher education institutes seem warranted.submittedVersionNivå

IDO1 is highly expressed in macrophages of patients in advanced tumour stages of oral squamous cell carcinoma

Purpose Strategies for Indolamine-2,3-dioxygenase 1 (IDO1) inhibition in cancer immunotherapy once produced encouraging results, but failed in clinical trials. Recent evidence indicates that immune cells in the tumour microenvironment, especially macrophages, contribute to immune dysregulation and therefore might play a critical role in drug resistance. Methods In this study, we investigated the signifcance of IDO1 expressing immune cells in primary tumours and corresponding lymph node metastases (LNMs) in oral squamous cell carcinoma (OSCC) by immunohistochemistry. The link between IDO1 and macrophages was investigated by fow cytometry in tumour tissue, healthy adjacent tissue and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). IDO1 activity (measured as Kynurenine/Tryptophan ratio) was assessed by ELISAs. Results High IDO1 expression in tumour-infltrating immune cells was signifcantly correlated with advanced stages [Spearman’s rank correlation (SRC), p=0.027] and reduced progression-free survival (multivariate Cox regression, p=0.034). IDO1 was signifcantly higher expressed in PBMCs of patients in advanced stages than in healthy controls (ANOVA, p<0.05) and IDO1+ macrophages were more abundant in intratumoural areas than peritumoural (t test, p<0.001). IDO1 expression in PBMCs was signifcantly correlated with IDO1 activity in serum (SRC, p<0.05). IDO1 activity was signifcantly higher in patients with LNMs (t test, p<0.01). Conclusion All in all, IDO1 expressing immune cells, especially macrophages, are more abundant in advanced stages of OSCC and are associated with reduced progression-free survival. Further investigations are needed to explore their role in local and systemic immune response. The IDO1 activity might be a suitable biomarker of metastasis in OSCC patients

3rd Helmholtz Open Science Forum „Helmholtz in the German National Research Data Infrastructure (NFDI)“

To promote dialogue on the National Research Data Infrastructure (NFDI) in the Helmholtz Association, the Helmholtz Open Science Office hosted two digital Forums in May and December 2021. The office has organized a third Forum on the topic on June 22, 2023. The objective of this event was to offer insights into the NFDI activities within the Helmholtz Association, presented from the internal perspectives of the Centers. Multiple Helmholtz Centers shared their experiences, fostering an interactive environment for questions and discussions. Furthermore, there were contributions highlighting the Base4NFDI basic service consortium

Meta-analysis of genome-wide association studies from the CHARGE consortium identifies common variants associated with carotid intima media thickness and plaque

Carotid intima media thickness (cIMT) and plaque determined by ultrasonography are established measures of subclinical atherosclerosis that each predicts future cardiovascular disease events. We conducted a meta-analysis of genome-wide association data in 31,211 participants of European ancestry from nine large studies in the setting of the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) Consortium. We then sought additional evidence to support our findings among 11,273 individuals using data from seven additional studies. In the combined meta-analysis, we identified three genomic regions associated with common carotid intima media thickness and two different regions associated with the presence of carotid plaque (P < 5 × 10 -8). The associated SNPs mapped in or near genes related to cellular signaling, lipid metabolism and blood pressure homeostasis, and two of the regions were associated with coronary artery disease (P < 0.006) in the Coronary Artery Disease Genome-Wide Replication and Meta-Analysis (CARDIoGRAM) consortium. Our findings may provide new insight into pathways leading to subclinical atherosclerosis and subsequent cardiovascular events