Circumventing static and moving pedestrians while walking in virtual and physical environments

As they walk in the community, individuals are required to circumvent objects and other pedestrians. While obstacle circumvention is often compromised in patient populations with physical disability, its assessment and training in the clinical or laboratory setting remain challenging. Virtual reality (VR) is a tool which allows replicating real-life conditions while having the participants moving in a safe and controlled environment, and which could be used to assess or train obstacle circumvention. However, evidence supporting the assumption that VR generates natural motor behaviors is scarce and no studies have specifically examined the circumvention of moving pedestrians in a virtual (VE) vs. physical environment (PE).In Manuscript 1 of this thesis, objectives were to estimate the extent to which avoidance strategies in response to approaching pedestrians differed in a VE vs. PE and to examine the effects of repeated exposure to the obstacle circumvention task. Participants (n=12) were assessed on an obstacle circumvention task performed in a PE and a VE of similar appearance and dimension as they walked towards a blue target (8.5m). Three female collaborators, acting as interferers, stood in an arc fashion (6.25m). As the participant reached 0.5m of forward displacement, one of the interferers approached the participant from either the left (-40°), middle (0°) or right (40°), while the others moved away. In a fourth condition, all interferers went away. Five experimental blocks comprising of 8 trials (2×4 obstacle conditions) were recorded in each environment. The presentation order of environments and trials was randomized. In the VE, participants used larger minimum distances (∆=0.10m) and slower minimum, average and maximum walking speeds (∆=0.13–0.15 m/s) when circumventing the moving pedestrians. Over the entire session, repeated exposure resulted in an increment in average walking speed (0.09m/s) that was similar between the VE and PE.In Manuscript 2, objectives were to estimate the extent to which the circumvention of a static pedestrian differed in the VE vs. the PE and to compare inter-trial variability of obstacle circumvention outcomes. Participants (n=13) were assessed in the same VE and PE as in Manuscript 1 but while avoiding a stationary interferer that randomly stood at 3m or 3.5m from the participant. Trials with a stationary interferer were interspersed with catch trials where the interferer exited the volume to the side as soon as the participant reached 0.5m of forward displacement. An increase in minimum distance (∆=0.10m), full body minimum distance (∆=0.10m) and maximum lateral deviation (∆=0.12m) as well as a reduction in minimum, average and maximum walking speed (∆=0.17m/s) were observed in the VE. Furthermore, the inter-trial variability of above mentioned outcomes was similar between the two environments.Results suggest that VR elicit "safer" circumvention strategies, characterized by larger obstacle clearances and slower walking speeds. Repeated exposure to VE failed to alleviate the differences between the VE and PE and resulted in similar adaptations in both environments. The latter findings could be due to the participants being familiar with the PE prior to testing (that identically replicated the VE), which might have allowed for a perception recalibration in the VE. Collectively, results of this thesis suggest that VR has a great potential for research and as a rehabilitation tool, as it provides an ecologically-valid, safe and well-controlled alternative to real-world experiments and clinical tools to further investigate locomotor control mechanisms as well as to assess or train complex locomotor tasks such as pedestrian circumvention.Lorsqu'ils marchent dans la communauté, les individus doivent contourner des objets et autres piétons. Bien que cette habileté soit souvent compromise chez les populations de patients présentant une incapacité physique, son évaluation et son entraînement en milieu clinique ou en laboratoire demeurent difficiles. La réalité virtuelle (RV) est un outil qui permet de reproduire les conditions de la vie réelle tout en permettant aux personnes de se déplacer dans un environnement sécuritaire et contrôlé. Néanmoins, les évidences démontrant que la RV génère des comportements moteurs naturels sont rares et aucune étude n'a spécifiquement examiné le contournement de piétons dans un environnement virtuel (VE) versus physique (PE).Les objectifs du manuscrit 1 étaient d'estimer dans quelle mesure les stratégies d'évitement en réponse aux piétons en mouvement différaient dans un EV par rapport à l'EP et d'examiner l'effet de l'exposition répétée sur les stratégies de contournement. Les participants (n=12) ont été évalués lors du contournement de piétons dans un EP et un EV d'apparences et de dimensions similaires. Une cible bleue se trouvait dans l'espace lointain (8.5m) et trois piétonnes se tenaient à une distance de 6.25m de la position de départ du participant. Lorsque le participant marchait 0.5m vers l'avant, l'une des piétonnes s'approchait du participant soit par la gauche (-40°), le centre (0°) ou la droite (40°). Dans une quatrième condition, aucune des piétonnes n'était présente. Cinq blocs de 8 essais (2×4 conditions, ordre aléatoire) ont été enregistrés dans l'EP et l'EV, dans un ordre aléatoire. Les résultats montrent que les participants utilisent des distances minimales plus grandes (Δ=0.10m) et des vitesses de marche minimales, moyennes et maximales plus lentes (Δ=0.13-0.15m/s) pour contourner les piétons dans l'EV versus l'EP. Pendant toute la séance d'expérimentation, une exposition répétée a entraîné une augmentation de la vitesse moyenne de marche (0.09m/s) similaire entre les environnements.Les objectifs du manuscrit 2 étaient d'estimer dans quelle mesure le contournement d'un piéton statique différait dans l'EV et l'EP, et de comparer la variabilité inter-essai des résultats de contournement d'obstacles entre les environnements. Les participants (n=13) ont été évalués dans le même EV et EP que dans le manuscrit 1, tout en évitant une collaboratrice stationnaire qui se trouvait aléatoirement à 3m ou 3.5m de la position de départ du participant. Les essais avec une interférence stationnaire ont été entrecoupés d'essais contrôles où la collaboratrice se déplaçait sur le côté dès que le participant marchait 0.5m. Une augmentation de la distance minimale (Δ=0.10m), de la distance minimale du corps entier (Δ=0.10m) et de la déviation latérale maximale (Δ=0.12m), ainsi qu'une réduction de la vitesse minimale, moyenne et maximale (Δ=0.17m/s pour tous les résultats de vitesse) ont été observées dans l'EV en comparaison avec l'EP. De plus, la variabilité des résultats entre les essais mentionnés ci-dessus était similaire entre les deux environnements.Les résultats suggèrent que la RV favorise l'utilisation de stratégies de contournement «plus sécuritaires» par rapport à l'EP, qui se caractérisent par de plus grandes distances d'évitement et une marche plus lente. Le fait que l'exposition répétée à l'EV n'ait pas atténué les différences de stratégies de contournement entre l'EV et l'EP peut être expliqué par la familiarité des participants avec l'EP avant l'expérimentation, laquelle a pu permettre une recalibration de la perception de l'EV. Les résultats de cette thèse suggèrent que la RV a un grand potentiel en recherche et comme outil de réadaptation. La RV offre une alternative écologique, sécuritaire et contrôlée aux expériences menées dans le monde réel pour approfondir les mécanismes de contrôle locomoteur, ainsi que pour évaluer ou entraîner des tâches locomotrices complexes telles que le contournement de piétons