control devices for physical metaverse

The human brain's flexibility makes it possible to modify our inner representation of the body by exposition to external and proprioceptive stimuli, possibly enabling the embodiment of tools, prosthesis and even different bodies. The interest about the ability to embody an avatar is getting increasingly popular, in particular in the context of the Physical Metaverse, which allows physical interactions in a virtual environment. This thesis aims to study and propose means to induce in a subject a sense of embodiment into a generic, not necessarily human-shaped, avatar, using control devices properly designed. We focus on the definition of a conceptual framework, to effectively map degrees of freedom of the subject's body to the ones of the avatar's body, and on the design and implementation of control devices, aimed at providing a natural sense of controllability and inducing a sense of embodiment, supported by the implementation of passive and/or active feedback. Starting from theoretical concepts and several previous works, we then performed trial-and-error experiments, exploring several technological solutions, until we could finally design innovative control devices and test them, using robotic avatars. Results suggest how our control devices can induce a certain sense of embodiment, involving the subject sensibly more than a commercial basic controller does, due to their challenging, but natural, controllability, along with the associated feedback sensations.

La flessibilità del cervello umano rende possibile modificare la nostra rappresentazione interna del corpo mediante l'esposizione a stimoli esterni e propriocettivi, consentendo eventualmente l'incarnazione di strumenti, protesi e persino corpi diversi. L'interesse per la capacità di incarnare un avatar sta diventando sempre più popolare, in particolare nel contesto del Physical Metaverse, che consente interazioni fisiche in un ambiente virtuale. Questa tesi si propone di studiare e proporre mezzi per indurre in un soggetto un senso di incarnazione in un avatar generico, non necessariamente di forma umana, utilizzando dispositivi di controllo opportunamente progettati. Ci concentriamo sulla definizione di un quadro concettuale per mappare efficacemente i gradi di libertà del corpo del soggetto a quelli del corpo dell'avatar, e sulla progettazione e realizzazione di dispositivi di controllo, volti a fornire una controllabilità naturale e indurre la sensazione di incarnazione nell'avatar, supportata dall'implementazione di feedback passivi e/o attivi. Partendo da concetti teorici e diversi lavori precedenti, abbiamo quindi effettuato esperimenti per tentativi ed errori, esplorando diverse soluzioni tecnologiche, fino a quando non siamo riusciti finalmente a progettare dispositivi di controllo innovativi e testarli, utilizzando avatar robotici. I risultati suggeriscono come i nostri dispositivi di controllo possano indurre un certo senso di embodiment, coinvolgendo il soggetto molto di più di quanto non faccia un semplice controllore commerciale, a causa della loro stimolante, ma naturale, controllabilità, associata al feedback sensoriale prodotto.