研究背景

實(shí)驗(yàn)室研究已為在高度受控環(huán)境下的人類運(yùn)動(dòng)感知與眼動(dòng)能力提供了重要的研究結(jié)論。例如，在無重力飛行時(shí)和國際空間站（ISS）中的研究已歸納出失重條件對(duì)宇航員的精細(xì)運(yùn)動(dòng)機(jī)能帶來了哪些不利影響。然而，對(duì)于已發(fā)現(xiàn)的影響因素能否對(duì)更自然的運(yùn)動(dòng)帶來影響則不得而知。該實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境有著多方面的區(qū)別，如側(cè)重于注意、重復(fù)、表象和動(dòng)機(jī)的類型、外部觸發(fā)事件和最終行為目標(biāo)的研究。

早期的研究已建立了一種理論，即抓握的動(dòng)作在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與日常環(huán)境下有著巨大的差異，并且這些差異無法歸結(jié)到一種單一原因，如，嚴(yán)格受控的環(huán)境對(duì)比松懈的受控環(huán)境。當(dāng)前的研究重點(diǎn)是在兩種環(huán)境下的眼動(dòng)研究，即在常規(guī)重力環(huán)境下（1G）執(zhí)行一次任務(wù)，在無重力飛行的失重環(huán)境下（0G）再執(zhí)行一次。假設(shè)不同的環(huán)境下眼動(dòng)控制會(huì)出現(xiàn)差異，那么在0G的環(huán)境下差異會(huì)更加顯著。

研究問題

• 行為環(huán)境是如何對(duì)眼動(dòng)行為產(chǎn)生影響的?
• 在不同環(huán)境中，失重狀態(tài)對(duì)眼動(dòng)行為會(huì)帶來哪些影響?
• 手-眼行為在不同環(huán)境下是怎樣的?

研究目標(biāo)

• 得到不同場(chǎng)景中關(guān)于手眼協(xié)調(diào)性的新見解。
• 推薦一種有效的宇航員訓(xùn)練項(xiàng)目。

研究方法

在執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)的過程中記錄動(dòng)作、力量和視線位置數(shù)據(jù)，在兩種不同環(huán)境下進(jìn)行抓握動(dòng)作-一種是常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室任務(wù)設(shè)置（L），另一種是更貼近日常生活的任務(wù)設(shè)置（E）。研究人員首先會(huì)讓年輕、健康的右利手被試者執(zhí)行兩個(gè)抓取任務(wù)，并對(duì)常規(guī)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比（如，動(dòng)作時(shí)間，手部的運(yùn)動(dòng)角速度峰值，抓握縫隙最大值，抓握目標(biāo)物體時(shí)的抓握力度初始值與最大值）。接下來由12名健康的右利手被試者依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)1G和0G環(huán)境下得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)是在一架翻新的空客A-300客機(jī)中進(jìn)行的，地面測(cè)試采用相同設(shè)置（見圖1）。被試者坐在擺放了Tobii T60眼動(dòng)儀的桌前，眼動(dòng)儀會(huì)持續(xù)記錄被試者雙眼的水平和垂直坐標(biāo)位置。要求一組被試者來玩一款電腦游戲，即使用操作桿來抓到虛擬的“蜘蛛”。每完成一個(gè)游戲等級(jí)，被試者必須握住一個(gè)柱形操作桿并將其前后滑動(dòng)來收集游戲獎(jiǎng)勵(lì)，然后繼續(xù)游戲。這些抓握動(dòng)作都屬于日常生活類的任務(wù)，與上述標(biāo)準(zhǔn)（任務(wù)E）一致。讓第二組被試者抓握操作桿并根據(jù)一個(gè)視覺觸發(fā)事件“自然”地滑動(dòng)；研究人員會(huì)告知這些被試者他們的抓握反應(yīng)將被記錄與分析。這些抓握動(dòng)作都屬于實(shí)驗(yàn)室類的任務(wù)，與上述標(biāo)準(zhǔn)（任務(wù)L）一致。兩組被試者執(zhí)行20次抓握動(dòng)作，均從搖桿的相同位置開始，在操作桿的相同位置結(jié)束。手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)由兩部Vicon® MX-F20 3D 高分辨率紅外攝像機(jī)記錄，手柄力度由6方向力傳感器記錄(ATI®Nano 17)，手部位置通過擺放在不同位置的傳感器記錄(Burster® 8740)。

圖 1: 飛機(jī)艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。圖為一名被試者在進(jìn)行任務(wù)E，一名操作者在微重力（0G）環(huán)境中。

判定眼動(dòng)指標(biāo)

研究發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)與眼動(dòng)行為相關(guān)的有趣指標(biāo)：從抓取信號(hào)出現(xiàn)到手柄的首次眼跳延遲是多少？ 視線在手柄上的停留時(shí)間有多久？如圖2所示，由于手柄是放置在屏幕旁邊的，因此無法使用Tobii Studio來分析手柄上的注視點(diǎn)。盡管如此，眼動(dòng)儀仍可以記錄屏幕邊框前的注視線位置。

研究中，眼動(dòng)儀與其他實(shí)驗(yàn)軟件通過事件標(biāo)記的形式進(jìn)行同步。研究使用了自主開發(fā)的交互軟件來分析視線數(shù)據(jù): 將每次抓握實(shí)驗(yàn)的雙眼x和y坐標(biāo)進(jìn)行描繪，并對(duì)操作桿附近興趣區(qū)內(nèi)的視線位置進(jìn)行了判定。

研究結(jié)論與討論

在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，抓握能力在兩個(gè)任務(wù)中有著多方面的差異。與L組相比，E組的被試者的反應(yīng)速度略慢，力度更小，準(zhǔn)確度稍差。因子分析確認(rèn)了這些差異是不相關(guān)的。因此，行為環(huán)境對(duì)抓握能力的影響是取決于多方面獨(dú)立因素的。

圖2顯示出將Tobii眼動(dòng)儀嵌入到專業(yè)的航空硬件中以及在任務(wù)L(圖 2A) 與任務(wù)E(圖 2B) 中記錄的一個(gè)眼動(dòng)數(shù)據(jù)樣本。圖3表示視線延遲的平均值，圖4顯示的是任務(wù)L和任務(wù)E中的操作桿的平均注視時(shí)間（一次1G，一次0G）。研究的主要發(fā)現(xiàn)是L組到E組對(duì)操作桿的注視時(shí)間在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著增加，甚至比0G到1G的增加幅度還大。L組比E組被試者使用了更多的視覺反饋，不同環(huán)境下的差異在失重環(huán)境下更加顯著。相反地，E組的手部運(yùn)動(dòng)和力度在1G到0G條件下的變化比L組更為顯著。

此研究結(jié)論證明了L組在進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)通過視線和注意的引導(dǎo)-即在操作桿上用了更長的注視時(shí)間，對(duì)0G環(huán)境下的不利影響進(jìn)行了補(bǔ)償。E組的被試者沒有完善手動(dòng)操作能力的動(dòng)機(jī)，并未改變他們的眼動(dòng)行為，而是選擇容許更大幅度抓握動(dòng)作的變化。研究得出了以下結(jié)論：

• 實(shí)驗(yàn)室任務(wù)低估了失重狀態(tài)對(duì)自然行為的影響
• 其原因是被試者在0G環(huán)境下使用了更多的注意力，實(shí)驗(yàn)室任務(wù)可能是一種訓(xùn)練宇航員執(zhí)行太空任務(wù)的有效方法。

圖2: Tobii T60眼動(dòng)儀被固定金屬框架中，以便于在無重力飛行時(shí)能夠使用。動(dòng)作目標(biāo)（操作桿）固定在右側(cè)，位于屏幕邊緣以外，這樣Tobii眼動(dòng)攝像機(jī)仍能夠記錄眼動(dòng)數(shù)據(jù)。紅色小圓點(diǎn)代表被試者看到操作桿之前的視線的移動(dòng)軌跡。A: 表示實(shí)驗(yàn)室任務(wù)(L) 和在操作桿上的視線停留時(shí)間(較大的圓點(diǎn))。B: 表示任務(wù)E和在操作桿上的停留時(shí)間 (小圓點(diǎn))。

圖 3: 被試者在兩個(gè)任務(wù)中的平均視線延遲時(shí)間, 1G和0G各一次。誤差線代表相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)差。	圖4:被試者在兩個(gè)任務(wù)中在操作桿上的視線停留時(shí)間 1G和0G各一次。誤差線代表相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)差。