在带有振动触觉反馈的物体传递过程中施加视觉-触觉不一致刺激

摘要

我们提出了一种在物体转移任务中施加视觉-触觉不匹配刺激的实验方案。具体而言，在执行手部被遮挡的方块转移过程中，通过虚拟呈现的方式随机显示方块虚假掉落的情景。该方案还描述了在执行运动任务的同时添加振动触觉反馈的方法。

摘要

涉及触觉反馈受损的不协调感觉信号的应用很少被研究，特别是当存在振动触觉反馈（VTF）时。本实验方案旨在测试VTF对不协调视觉-触觉刺激反应的影响。触觉反馈通过抓握一个方块并将其移动过隔板获得；视觉反馈则是通过动作捕捉系统获取的该移动方块的实时虚拟呈现。协调反馈是指对方块运动的可靠呈现，使受试者感觉方块被成功抓握，并看到它沿手的运动路径同步移动。而不协调反馈则表现为方块的运动路径偏离实际路径，使其看似从手中掉落，而实际上仍被受试者握持，从而与触觉反馈相矛盾。20名受试者（年龄30.2 ± 16.3岁）在手部被遮挡的条件下重复进行16次方块转移任务，每种条件（有VTF和无VTF）各重复16次，共32次方块转移。在每种条件下的16次重复中，不协调刺激随机出现两次。每次实验后，要求每位受试者评估在有和无VTF条件下完成任务的困难程度。在有无VTF的情况下，协调与不协调视觉-触觉信号所记录的手部运动路径长度和转移持续时间均无统计学显著差异。受试者主观感知到的使用VTF完成任务的困难程度与使用VTF时方块运动路径长度的标准化值呈显著正相关（r = 0.675，p = 0.002）。该实验装置可用于量化VTF在涉及不协调视觉-触觉刺激的运动功能中的增强或削弱作用。其潜在应用包括假肢设计、智能运动服装或任何整合了VTF的其他服饰。

引言

错觉是对我们感官局限性的利用，此时我们会错误地感知与客观现实相偏离的信息。我们的感知推断基于以往解读感觉数据的经验，以及大脑在感觉输入不明确的情况下对现实最可靠估计的计算¹。

错觉研究中的一个子类别涉及不一致感觉信号的结合。由不一致感觉信号引发的错觉源于大脑持续进行的多感觉整合。尽管关于视觉-听觉信号不一致的研究众多，但其他感觉组合的不一致现象报道较少。这种报道数量上的差异可能归因于设计包含视觉-听觉不一致实验装置的相对简便性。然而，有关其他感觉模态组合的研究同样具有重要意义。例如，已有研究利用视觉与触觉刺激在空间频率上相匹配的系统，探讨了视觉-触觉信号不一致对视觉敏感性的影响²，其中触觉与视觉的朝向相同（一致）或正交（不一致）。在另一项研究中，采用一种带有发光面板的视-触跨模态整合刺激装置，研究了视觉-触觉运动刺激不一致对视觉运动方向感知的影响；该装置可呈现视觉刺激，同时通过触觉刺激器以任意运动方向、速度和皮肤压入深度施加触觉运动刺激³。有研究提出，我们大脑内部同时表征任务的统计分布和自身的感觉不确定性，并以符合性能最优化的贝叶斯过程方式将二者结合起来⁴。

虚拟现实技术使得欺骗受试者的视觉反馈变得轻而易举。已有若干研究利用多感官虚....

方案

以下方案遵循大学人体研究伦理委员会的指导原则。有关商用产品的参考，请参见材料表。

注意：在获得大学伦理委员会批准后，招募了20名健康个体（7名男性和13名女性，平均年龄及标准差[SD]为30.2 ± 16.3岁）。每位受试者在试验前阅读并签署了知情同意书。纳入标准为年龄18岁及以上的右利手个体。排除标准为存在任何影响上肢的神经或骨科功能障碍，或未经矫正的视力障碍。所有受试者此前均未接触过视觉-触觉反馈不一致的情况。

1. 试验前准备

1. 使用方盒与方块测试中的木盒¹⁰。木盒的尺寸为 53.7 cm × 26.9 cm × 8.5 cm，其中央设有一个高 15.2 cm 的隔板。在隔板两侧均放置一层软海绵。在远离屏幕的一侧，于四个角以及隔板两端共放置六个被动反光标记点（图 1a）。
2. 使用 3D 打印机制造一个尺寸为 2.5 cm × 2.5 cm × 2.5 cm 的立方体，并将其固定在一个尺寸为 4.5 cm × 4.5 cm × 1 cm 的底座上。打印前，将底座的每个角切割，使每个角保留一个 1 cm × 1 cm 的正方形区域（图 1a）。在底座的四个角上安装被动反光标记点。<....

结果

我们采用所述技术来检验以下三个假设：当使用虚拟视觉反馈将物体从一个位置移动到另一个位置时：（i）当呈现不一致的视觉-触觉刺激时，物体转移运动的路径和持续时间将增加；（ii）当呈现不一致的视觉-触觉刺激且在移动手臂上激活VTF时，这种变化将进一步增加；（iii）在VTF激活条件下完成任务的主观困难程度与物体转移运动的路径和持续时间之间将存在正相关关系。

结果支持第三个假设。使用和不使用视觉触觉反馈（VTF）执行任务的报告难度水平如图3所示。根据斯皮尔曼相关性检验，使用VTF执行任务的主观难度等级（从“0”=完全不困难，到“4”=极其困难）与使用VTF时方块的归一化路径长度显著相关（r = 0.675，p = 0.002；图4）。换句话说，对于那些在使用VTF时认为任务更困难的受试者，其在不一致的视觉-触觉信号存在情况下的归一化路径长度更长。使用VTF执行任务的主观难度等级与未使用VTF时方块的归一化路径长度之间无显著相关性（r = 0.132，p = 0.589）。.......

讨论

本研究提出了一种量化在存在视觉-触觉刺激不一致的情况下添加视觉触觉反馈（VTF）对物体传递运动学影响的实验方案。据我们所知，这是目前唯一可用于测试VTF对不一致视觉-触觉刺激反应影响的实验方法。在物体传递过程中应用不一致视觉-触觉刺激并结合VTF的关键步骤包括：将VTF系统连接至受试者、启动VTF、准备动作捕捉系统和运动任务，以及激活视觉反馈。实验过程中必须确保受试者无法察觉可能存在的误导性反馈。为此，实验中在盒子底部铺设了柔软的海绵层，并让受试者佩戴耳机，以消除方块掉落并撞击木盒时产生的听觉反馈。此外，16次传递中仅随机选择两次传递呈现不一致的反馈，且程序设定为当方块下降至隔板高度以下2 cm时，模拟其在起始隔间内掉落的情景，此时手部处于悬空状态。两次随机的误导性视觉信号在程序中被设定为既不发生在前两次或后两次方块传递中，且两者之间至少间隔一次非误导性传递。

本方案的一个优势在于，误导性的视觉反馈仅在16次转移试验中随机出现几次。这可以防止受试者对虚拟呈现产生不信任。由于本试验中提供给受试者的两种信号之间的冲突程度较高，因此该方案通过呈现合理数量的方块掉落情况，旨在提高误导性视觉.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印机	Makerbot		https://www.makerbot.com/
方盒与方块测试	Sammons Preston		https://www.performancehealth.com/箱块测试
Flexiforce 传感器（1 磅）	Tekscan 公司		https://www.tekscan.com/force-sensors
JASP	JASP 团队		https://jasp-stats.org/
Labview	国家仪器公司		http://www.ni.com/zh-cn/shop/labview/labview-details.html
微型 Arduino	Arduino LLC		https://store.arduino.cc/arduino-micro
运动捕捉系统	Qualisys		https://www.qualisys.com
无轴振动电机	Pololu		https://www.pololu.com/product/1638
SPSS	IBM		https://www.ibm.com/analytics/spss-statistics-software