21、基于触觉交互的游客引导与粗糙度感知接触力研究

基于触觉交互的游客引导与粗糙度感知接触力研究

在现代科技的助力下，为游客提供更优质的导航体验以及深入研究人类触觉感知机制成为了重要的研究方向。本文将介绍通过振动反馈进行游客引导的相关技术，以及关于粗糙度感知中接触力的实验研究。

振动反馈在导航中的应用

在导航领域，多种技术借助声音和振动来为用户提供信息。例如，Soundcrumbs 根据用户手机的方位选择不同音量的音频轨道；Audio Bubbles 能为用户提供附近地标建筑的听觉反馈；Sweep - Shake 利用振动反馈让用户获取附近景点的信息，并进一步发展以支持用户导航；Tactile Wayfinder 探索使用振动腰带提供方向信息；PointNav 则通过振动和语音反馈同时提供方向和导航支持。此外，社区或艺术家还创造了不同类型的音景用于探索性导航，如 Urban Sound Garden 和 Tactical Sound Garden。

距离编码的探索

在设计振动反馈时，除了方向信息，还希望能直观地编码距离信息。使用振动电机时，主要可操控的两个参数是脉冲长度和间隔时间。不同的研究对这两个参数与距离的映射关系有不同的假设和设计：
- 在某些研究中，假设较短的间隔时间对应较短的距离，但未对该假设进行测试，且这些研究主要关注辨别能力和步行速度，而非直观性。
- 还有研究探索了基于节奏、持续时间和强度的编码方式。基于节奏的编码中，脉冲数量表示距离，脉冲越多距离越远；基于持续时间的编码中，刺激持续时间越长表示距离越远；基于强度的编码中，更强的刺激对应更近的距离。但这些研究未记录参与者对直观性的第一印象。

由于缺乏关于哪种映射更直观的明确建议，研究团队决定进行简单测试，同时包含他们认为直观的映射以及相反的映射。

Lund Time Machine 交互介绍

“Lund Time Machine”（LTM）是一款为 Android 2.2 开发的旅游指南应用程序。它利用 GPS 定位和指南针方向，通过触觉引导（振动）带领游客沿着路线游览，并在景点显示相关信息。当游客到达距离景点 15 米以内时，会播放类似人类导游介绍城市有趣地点的语音信息，同时屏幕上会显示图像和文字。在导航过程中，还会播放中世纪的声音，增强特定地点的体验。

该应用的引导基于扫描交互，当游客将手机指向目标方向时，手机会振动。目标方向周围 60 度范围内会播放连续 3 次的短脉冲，这一角度是根据相关研究建议确定的。在导航过程中，屏幕上会显示距离、景点列表和地图，同时研究团队还希望在振动反馈模式中嵌入距离信息。

距离编码研究

为了测试使用振动模式编码距离的不同方式，研究团队在 Windows Mobile 手机（Sony Ericsson Xperia）上实现了一个原型。用户可以扫描周围区域以定位两个不同的物体，这些物体位于不同的距离，任务是让用户直观地判断哪个物体更近。
- 第一部分测试 ：保持周期不变，改变脉冲长度（短脉冲 40ms，长脉冲 800ms）。13 名用户参与测试，其中 12 名用户认为较长的脉冲对应更近的物体，原因是较长的脉冲感觉更强烈；1 名用户持相反观点，认为较短的脉冲感觉“被阻挡”，所以物体必须靠近才能阻挡脉冲。
- 第二部分测试 ：保持脉冲长度不变（40ms），改变周期（短周期 100ms，长周期 900ms）。12 名用户参与测试，所有用户都认为较短的周期对应更近的距离。这些结果具有统计学意义（t - 检验，p < 0.001）。

基于这些测试结果，得出以下映射建议：
- （恒定周期下）较长的脉冲应映射到更近的距离。
- （恒定脉冲长度下）较短的周期应映射到更近的距离。

Lund Time Machine 旅游指南评估

在 Lund Time Machine 中，选择了一种设计，即脉冲长度不随距离变化，而是随着距离变化改变脉冲之间的时间（周期）。当手机指向目标方向时，会播放 3 次脉冲。随着用户接近目标，3 次脉冲的序列会更频繁地重复。这种设计在涉及 10 名成年人和 24 名儿童的全球评估中得到应用。评估结果显示，所有用户都能通过该应用的引导到达景点，距离编码也得到了积极反馈，大多数用户注意到接近目标时振动更频繁，一名参与者认为距离编码感觉很合适，就像接近目标时有一种“灼烧感”。

以下是相关研究中不同距离编码方式的对比表格：
|研究|脉冲长度与距离关系|周期与距离关系|关注点|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|[7]|未明确提及变化方式|较短间隔对应短距离|辨别能力、步行速度|
|[11]|未明确提及变化方式|未明确提及变化方式|感知距离判断的简单性|
|本次研究|恒定周期下，长脉冲对应近距|恒定脉冲长度下，短周期对应近距|直观性|

通过以上研究和评估，振动反馈在旅游导航中的应用得到了进一步优化，能够为游客提供更直观、有效的导航体验。同时，距离编码的研究结果为后续相关设计提供了有价值的参考。

接下来将介绍关于粗糙度感知中接触力的实验研究。

粗糙度感知与接触力研究背景

在主动触摸中，触觉感知与探索运动是双向关联的。探索运动影响感知，感知也会影响探索运动。人们可以根据感知和任务，有意识或无意识地优化或改变探索运动。粗糙度或纹理感知在主观估计、与机械感受器的关系以及辨别能力等方面都有研究。在许多触觉感知的心理物理实验中，通常会控制探索运动的参数，如施加的力、速度等。然而，在现实情况下，触觉感知本质上是主动触摸，研究人类触觉感知的双向性对于理解触觉感知以及触觉设备开发、产品设计和技能训练等都具有重要意义。

粗糙度感知实验方法

• 实验对象 ：11 名健康的成年受试者（4 男 7 女，年龄范围 21 - 31 岁，平均 25 岁）参与实验，所有受试者均为右利手，并获得了相应报酬。
• 实验刺激与过程 ：使用砂纸作为刺激物，根据粗糙度分为光滑组和粗糙组，每组有 5 种不同粒度的砂纸。刺激物附着在木板上，放置在 6 轴力传感器上。受试者被蒙住眼睛并戴上播放白噪音的耳机，以避免听到触摸刺激物的声音。实验过程中，以 1kHz 的采样频率测量手指施加的力。每次试验前，受试者用食指触摸标记物以标记位置。受试者被要求每次以相同的方式触摸刺激物，使用优势手的食指左右来回摩擦刺激物，若想再次触摸刺激物，需先松开接触的手指，且未对施加的力、速度或行程距离给出具体指示。
• 实验设计 ：实验包括三种任务：控制任务、辨别任务和缩放任务。
  • 控制任务 ：在实验开始和结束时进行，受试者无需给出任何响应，只需触摸刺激物进行探索，每次试验的触摸次数为两次，刺激物从光滑组和粗糙组交替呈现，每种刺激物随机呈现一次，共 10 次试验。
  • 辨别任务 ：从光滑组和粗糙组中各选一个刺激物作为参考刺激物（光滑组粒度为 3µm，粗糙组粒度为 35µm），其余 4 个作为测试刺激物。受试者会看到一对刺激物（参考刺激物和测试刺激物），需判断哪个更粗糙。受试者可以根据需要多次触摸刺激物，但不能连续触摸同一刺激物。每组 4 对刺激物随机呈现 10 次，共 40 次试验。
  • 缩放任务 ：在每个会话开始时，向受试者展示光滑组或粗糙组中最粗糙和最光滑的刺激物，并告知他们将最粗糙刺激物的尺度记为 5，最光滑刺激物的尺度记为 1。然后每次呈现一个刺激物，受试者需在 1 到 5 的尺度上对其进行评分。每次受试者回答后，会给出正确答案。每种刺激物随机呈现 5 次，共 25 次试验。

以下是实验设计的流程示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(开始):::process --> B(控制任务):::process
    B --> C{随机选择任务}:::process
    C -->|辨别任务| D(辨别任务 - 光滑组):::process
    C -->|缩放任务| E(缩放任务 - 光滑组):::process
    D --> F(辨别任务 - 粗糙组):::process
    E --> G(缩放任务 - 粗糙组):::process
    F --> H(控制任务):::process
    G --> H
    H --> I(结束):::process

通过这个实验，研究团队旨在探究不同感知任务（辨别任务和缩放任务）以及不同粗糙度刺激物对接触力的影响。后续将对实验结果进行详细分析，以揭示人类在粗糙度感知过程中接触力的变化规律。

基于触觉交互的游客引导与粗糙度感知接触力研究

粗糙度感知实验结果分析

在完成上述实验后，研究团队对采集到的数据进行了深入分析，重点关注不同任务和不同粗糙度刺激下受试者施加的接触力情况。

实验结果表明，在粗糙度感知过程中，人类使用的接触力存在明显差异。具体而言，对于光滑刺激物，受试者使用的接触力变化更大；而对于粗糙刺激物，接触力的变化相对较小。以下是不同任务和刺激组下接触力变化情况的对比表格：
|任务类型|光滑刺激组接触力变化|粗糙刺激组接触力变化|
| ---- | ---- | ---- |
|控制任务|较大|较小|
|辨别任务|较大|较小|
|缩放任务|较大|较小|

在控制任务中，由于受试者只是单纯地触摸和探索刺激物，没有特定的判断或评分要求，这种自由探索的过程使得他们在接触光滑刺激物时，可能会更随意地调整接触力，以感受不同的触觉反馈，从而导致接触力的变化范围较大。而在触摸粗糙刺激物时，可能因为粗糙表面本身提供的明显触觉信息，使得受试者不需要过多地调整接触力来感知，所以接触力变化相对较小。

在辨别任务中，受试者需要判断两个刺激物哪个更粗糙。对于光滑刺激物，由于其粗糙度差异相对不明显，受试者可能会通过改变接触力来更细致地感受表面特征，以做出准确判断，因此接触力变化较大。而粗糙刺激物的粗糙度差异较为显著，受试者不需要大幅度调整接触力就能辨别，所以接触力变化较小。

在缩放任务中，受试者需要对刺激物的粗糙度进行评分。同样，光滑刺激物的细微差异需要通过调整接触力来更好地感知，从而导致接触力变化大；而粗糙刺激物的明显特征使得接触力变化相对稳定。

研究结论与意义

通过对粗糙度感知中接触力的实验研究，我们明确了人类在主动触摸不同粗糙度刺激物时接触力的变化规律。这一发现对于深入理解人类触觉感知机制具有重要意义。

从理论层面来看，它进一步证实了触觉感知与探索运动的双向关系。在粗糙度感知过程中，感知到的表面特征会引导受试者调整探索运动（如接触力），而探索运动的改变又会反过来影响触觉感知。这一双向关系是人类触觉系统适应环境、获取准确信息的重要机制。

在实际应用方面，该研究成果具有广泛的应用前景：
- 触觉设备开发 ：在设计触觉设备时，可以根据这一规律，模拟不同粗糙度表面的触觉反馈，为用户提供更真实、准确的触觉体验。例如，在虚拟现实设备中，当用户触摸虚拟的光滑或粗糙物体时，设备可以根据接触力的变化规律，调整振动强度或反馈模式，增强沉浸感。
- 产品设计 ：对于需要考虑触觉感受的产品，如手机外壳、手柄等，可以参考这一研究结果，优化产品表面的粗糙度设计，以提供更舒适、符合人体触觉感知习惯的握持体验。
- 技能训练 ：在一些需要精细触觉感知的技能训练中，如按摩、手工艺制作等，可以根据接触力与粗糙度感知的关系，设计更有针对性的训练方案，帮助学员更快地掌握技能。

未来研究展望

尽管本研究取得了有价值的成果，但仍有许多方面值得进一步深入探索。

在实验设计方面，可以增加更多类型的刺激物和任务，以更全面地研究触觉感知与接触力的关系。例如，可以引入不同材质、不同形状的刺激物，以及更复杂的感知任务，如同时判断粗糙度和硬度等。

在研究方法上，可以结合神经科学技术，如脑电图（EEG）、功能性磁共振成像（fMRI）等，深入探究触觉感知过程中大脑的神经活动机制，进一步揭示触觉感知与探索运动双向关系的神经基础。

在应用拓展方面，可以将研究成果应用到更多领域，如机器人触觉、智能服装等。例如，为机器人配备更智能的触觉传感器，使其能够根据接触物体的粗糙度自动调整操作力度；在智能服装中加入触觉反馈模块，为用户提供与环境互动的新方式。

以下是未来研究方向的列表：
1. 增加刺激物类型和任务复杂度，全面研究触觉感知与接触力关系。
2. 结合神经科学技术，探究触觉感知的神经活动机制。
3. 将研究成果拓展应用到机器人触觉、智能服装等领域。

综上所述，基于振动反馈的旅游导航研究为游客提供了更直观有效的导航体验，而粗糙度感知中接触力的研究则为深入理解人类触觉感知机制和拓展相关应用提供了重要的理论基础和实践指导。随着研究的不断深入，我们有望在这些领域取得更多创新成果，为人们的生活带来更多便利和新奇体验。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(当前研究成果):::process --> B(拓展实验设计):::process
    A --> C(结合神经科学技术):::process
    A --> D(拓展应用领域):::process
    B --> E(全面研究关系):::process
    C --> F(探究神经机制):::process
    D --> G(机器人触觉应用):::process
    D --> H(智能服装应用):::process

通过以上的研究和展望，我们可以看到，无论是旅游导航中的振动反馈技术，还是粗糙度感知中接触力的研究，都具有广阔的发展前景和重要的应用价值。未来，我们期待这些研究能够不断取得新的突破，为人们的生活和科技发展带来更多积极的影响。