Smart multisensory environments for children with neurodevelopmental disorders

This thesis focuses on designing, developing, and evaluating interactive MultiSensory Environments (iMSE for short) for children with NeuroDevelopmental Disorders (NDD). The term iMSE is used to denote digitally enhanced physical spaces intended to stimulate the user's vestibular, proprioceptive, and tactile senses, train the integration and identification of the different stimuli, and engage the user in interactive activities. Such activities are devoted to promoting various skills and competencies. The term NDD is used to denote a broad spectrum of conditions that may affect both intellectual functioning and adaptive behavior. Intellectual functioning indicates general mental capacities such as learning, reasoning, problem-solving, and imagination. The adaptive behavior, instead, refers to a collection of social and practical capabilities and skills, which are matured among the person's life by interacting with others, such as language and literacy, interpersonal relationships, social responsibility, self-esteem, ability to adhere to rules and laws, personal care and safety, healthcare, management of time and money and many others. NDD conditions generally affect a person's life from the youth and continue through their whole life, affecting the children's quality of life and their family. Although little is known about the causes of NDD, the scientific community agrees that early intervention and specialized treatments since early childhood may mitigate NDD conditions' effects. Interactive technologies, iMSE, in particular, are thought to be promising approaches in the educational process for children with NDD. Their capability to provide predictable pleasurable responses to children's behaviors (which mitigates anxiety and improves a sense of agency) promotes embodied learning and stimulates engagement. In this context, the thesis provides several innovative contributions: 1. The design, implementation, and evaluation of two innovative iMSEs for NDD: the Magic Room and Spark. Those two iMSE have been devised to let the children experience playful formative experiences at school or at their therapeutic center. 2. Activities, designed with domain experts, to support education for individual children with NDD and for mixed groups of children (with and without disability) 3. Empirical studies were performed to measure the usability, educational effectiveness, and adoptability of the iMSEs mentioned above. The Magic Room results showed significant improvement in children's well-being at school, positive effects on their behavior in the iMSEs. Results show an excellent rate for usability and adoptability both for caregivers and children. Results for Spark have been used to perform informed design with final users. 4. A new conceptual model to design iMSEs using a Human Centric approach represents the key design choices for iMSE interaction affordances and activities.

Questa tesi è focalizzata sul design, sviluppo e valutazione di Spazi Multisensoriali Interattivi (iMSE) per bambini affetti da disturbi del Neurosviluppo (NDD). Il termine iMSE è usato per descrivere spazi fisici arricchiti attraverso la tecnologia, all’interno dei quali vengono stimolati l’apparato vestibolare propriocettivo e il tatto degli utenti, al fine di allenare i bambini all’integrazione e identificazione dei diversi stimoli sensoriali, attraverso attività di gioco interattivo per gli utenti stessi. Tali attività sono progettare al fine di promuovere e migliorare una vasta gamma di capacità e competenze. NDD, invece, è un termine usato per indicare un vasto spettro di condizioni che afferiscono sia alla sfera del funzionamento intellettivo che della capacità di adattare il proprio comportamento alla situazione. Il termine funzionamento intellettivo indica capacità mentali generali, ad esempio, apprendimento, ragionamento, capacità di risolvere problemi e immaginazione. Il comportamento adattivo, invece si riferisce a una collezione di capacità e competenze sociali e pratiche, che vengono acquisite attraverso l’interazione sociale con altri, ad esempio la capacità di rispettare regole e leggi, la cura e la sicurezza personale, responsabilità sociale, autostima, linguaggio e conoscenze, relazioni interpersonali, gestione di tempo e denaro, e molti altri ancora. Patologie nello spettro degli NDD, in genere, colpiscono i bambini fin dalla più tenera età e permangono in questo stato per tutta la loro vita, con ripercussioni sulla qualità della vita anche della loro famiglia. Nonostante la causa di queste patologie sia ancora prevalentemente sconosciuto, la comunità scientifica concorda che interventi specializzati somministrati al più presto possibile siano utili a mitigare gli effetti di tali patologie. Le tecnologie interattive, tra cui gli iMSE in particolare, sono riconosciti come un approccio con ottime premesse nel processo educativo di questi bambini. La capacità degli iMSE di produrre stimoli predicibili piacevoli e gratificanti al bambino in risposta ai suoi comportamenti, che simultaneamente riducono lo stato di ansia per migliorare il senso di capacità di intervenire, promuovono il cosiddetto embodied learning e l’intrattenimento sensoriale. In questo contesto questa tesi riporta diversi contributi innovativi alla ricerca: • Il design, implementazione e valutazione di due iMSE per bambini affetti da NDD: la Magic Room e Spark. Questi sono stati progettati per offrire una esperienza di gioco formativa ai bambini sia a scuola che nei centri terapeutici. • Le attività proposte, progettate con esperti del settore, supportano le attività giornaliere di apprendimento per bambini NDD e la cooperazione con i loro compagni. • Studi empirici hanno misurato l’efficacia, usabilità, e adottabilità di queste soluzioni. Per la Magic Room in particolare i risultati mostrano un significativo miglioramento del benessere scolastico, un impatto positive sul loro comportamento, una ottima valutazione di adottabilità e usabilità da parte sia dei bambini che dei loro responsabili (maestre e terapisti). Per Spark, invece, lo studio è servito per completare un percorso di design informato dagli utenti finali. • Infine, un nuovo modello metodologico per progettare una nuova generazione di iMSE con un’ottica più focalizzata sull’aspetto umano dell’esperienza è stato definito.