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培训与教学研究

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常规实验室任务与日常生活任务的眼动行为差异:正常重力与失重状态下的行为研究

2015-07-19   总浏览:1570

在本案例中使用眼动追踪在实验室环境和日常环境下来研究常规引力与失重环境下的手眼协调性。研究获得了在不同环境下的手眼协调性的全新见解,此外还推荐了一种对宇航员非常有用的训练方法。

研究背景

实验室研究已为在高度受控环境下的人类运动感知与眼动能力提供了重要的研究结论。例如,在无重力飞行时和国际空间站(ISS)中的研究已归纳出失重条件对宇航员的精细运动机能带来了哪些不利影响。然而,对于已发现的影响因素能否对更自然的运动带来影响则不得而知。该实验室与现实生活环境有着多方面的区别,如侧重于注意、重复、表象和动机的类型、外部触发事件和最终行为目标的研究。

早期的研究已建立了一种理论,即抓握的动作在常规实验室环境与日常环境下有着巨大的差异,并且这些差异无法归结到一种单一原因,如,严格受控的环境对比松懈的受控环境。当前的研究重点是在两种环境下的眼动研究,即在常规重力环境下(1G)执行一次任务,在无重力飞行的失重环境下(0G)再执行一次。假设不同的环境下眼动控制会出现差异,那么在0G的环境下差异会更加显著。

研究问题

  • 行为环境是如何对眼动行为产生影响的?
  • 在不同环境中,失重状态对眼动行为会带来哪些影响?
  • 手-眼行为在不同环境下是怎样的?

研究目标

  • 得到不同场景中关于手眼协调性的新见解。
  • 推荐一种有效的宇航员训练项目。

研究方法

在执行两个任务的过程中记录动作、力量和视线位置数据,在两种不同环境下进行抓握动作-一种是常规的实验室任务设置(L),另一种是更贴近日常生活的任务设置(E)。研究人员首先会让年轻、健康的右利手被试者执行两个抓取任务,并对常规参数进行对比(如,动作时间,手部的运动角速度峰值,抓握缝隙最大值,抓握目标物体时的抓握力度初始值与最大值)。接下来由12名健康的右利手被试者依次进行实验,对1G和0G环境下得到的数据进行比较。

实验是在一架翻新的空客A-300客机中进行的,地面测试采用相同设置(见图1)。被试者坐在摆放了Tobii T60眼动仪的桌前,眼动仪会持续记录被试者双眼的水平和垂直坐标位置。要求一组被试者来玩一款电脑游戏,即使用操作杆来抓到虚拟的“蜘蛛”。每完成一个游戏等级,被试者必须握住一个柱形操作杆并将其前后滑动来收集游戏奖励,然后继续游戏。这些抓握动作都属于日常生活类的任务,与上述标准(任务E)一致。让第二组被试者抓握操作杆并根据一个视觉触发事件“自然”地滑动;研究人员会告知这些被试者他们的抓握反应将被记录与分析。这些抓握动作都属于实验室类的任务,与上述标准(任务L)一致。两组被试者执行20次抓握动作,均从摇杆的相同位置开始,在操作杆的相同位置结束。手部运动数据由两部Vicon® MX-F20 3D 高分辨率红外摄像机记录,手柄力度由6方向力传感器记录(ATI®Nano 17),手部位置通过摆放在不同位置的传感器记录(Burster® 8740)。

图 1: 飞机舱内的实验场景。图为一名被试者在进行任务E,一名操作者在微重力(0G)环境中。  

判定眼动指标

研究发现了两个与眼动行为相关的有趣指标:从抓取信号出现到手柄的首次眼跳延迟是多少? 视线在手柄上的停留时间有多久?如图2所示,由于手柄是放置在屏幕旁边的,因此无法使用Tobii Studio来分析手柄上的注视点。尽管如此,眼动仪仍可以记录屏幕边框前的注视线位置。

研究中,眼动仪与其他实验软件通过事件标记的形式进行同步。研究使用了自主开发的交互软件来分析视线数据: 将每次抓握实验的双眼x和y坐标进行描绘,并对操作杆附近兴趣区内的视线位置进行了判定。

研究结论与讨论

在之前的研究中发现,抓握能力在两个任务中有着多方面的差异。与L组相比,E组的被试者的反应速度略慢,力度更小,准确度稍差。因子分析确认了这些差异是不相关的。因此,行为环境对抓握能力的影响是取决于多方面独立因素的。

图2显示出将Tobii眼动仪嵌入到专业的航空硬件中以及在任务L(图 2A) 与任务E(图 2B) 中记录的一个眼动数据样本。图3表示视线延迟的平均值,图4显示的是任务L和任务E中的操作杆的平均注视时间(一次1G,一次0G)。研究的主要发现是L组到E组对操作杆的注视时间在统计学上的显著增加,甚至比0G到1G的增加幅度还大。L组比E组被试者使用了更多的视觉反馈,不同环境下的差异在失重环境下更加显著。相反地,E组的手部运动和力度在1G到0G条件下的变化比L组更为显著。

此研究结论证明了L组在进行手动操作时通过视线和注意的引导-即在操作杆上用了更长的注视时间,对0G环境下的不利影响进行了补偿。E组的被试者没有完善手动操作能力的动机,并未改变他们的眼动行为,而是选择容许更大幅度抓握动作的变化。研究得出了以下结论:

  • 实验室任务低估了失重状态对自然行为的影响
  • 其原因是被试者在0G环境下使用了更多的注意力,实验室任务可能是一种训练宇航员执行太空任务的有效方法。

图2: Tobii T60眼动仪被固定金属框架中,以便于在无重力飞行时能够使用。动作目标(操作杆)固定在右侧,位于屏幕边缘以外,这样Tobii眼动摄像机仍能够记录眼动数据。红色小圆点代表被试者看到操作杆之前的视线的移动轨迹。A: 表示实验室任务(L) 和在操作杆上的视线停留时间(较大的圆点)。B: 表示任务E和在操作杆上的停留时间 (小圆点)。

图 3: 被试者在两个任务中的平均视线延迟时间, 1G和0G各一次。误差线代表相关的标准差。 图4:被试者在两个任务中在操作杆上的视线停留时间 1G和0G各一次。误差线代表相关的标准差。
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