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研究背景

實驗(yan)室研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)已為在(zai)(zai)高度受控環境下的(de)(de)人類運動(dong)感知(zhi)與眼動(dong)能力(li)提供了(le)重(zhong)要的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)結論。例如，在(zai)(zai)無重(zhong)力(li)飛行(xing)時和國際空間站（ISS）中的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)已歸納出失(shi)重(zhong)條件(jian)對(dui)宇航員的(de)(de)精細(xi)運動(dong)機(ji)能帶(dai)來(lai)了(le)哪些不利影(ying)響。然而，對(dui)于已發現的(de)(de)影(ying)響因素能否對(dui)更自然的(de)(de)運動(dong)帶(dai)來(lai)影(ying)響則不得而知(zhi)。該實驗(yan)室與現實生活(huo)環境有著(zhu)多方面(mian)的(de)(de)區別(bie)，如側重(zhong)于注(zhu)意、重(zhong)復、表象(xiang)和動(dong)機(ji)的(de)(de)類型、外部觸發事件(jian)和最(zui)終行(xing)為目標(biao)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)。

早(zao)期的(de)研究(jiu)已建立(li)了(le)一種理論，即抓握的(de)動(dong)(dong)作在(zai)(zai)(zai)常規實驗室環境與日常環境下(xia)有著巨大的(de)差(cha)異，并(bing)且這些差(cha)異無法歸結到(dao)一種單一原因，如，嚴(yan)格受控(kong)的(de)環境對比松(song)懈的(de)受控(kong)環境。當前的(de)研究(jiu)重點是在(zai)(zai)(zai)兩種環境下(xia)的(de)眼(yan)動(dong)(dong)研究(jiu)，即在(zai)(zai)(zai)常規重力環境下(xia)（1G）執行一次任務，在(zai)(zai)(zai)無重力飛行的(de)失重環境下(xia)（0G）再執行一次。假設不(bu)同的(de)環境下(xia)眼(yan)動(dong)(dong)控(kong)制會(hui)出現差(cha)異，那么在(zai)(zai)(zai)0G的(de)環境下(xia)差(cha)異會(hui)更加顯著。

研究問題

• 行為環境是如何對眼動行為產生影響的?
• 在不同環境中，失重狀態對眼動行為會帶來哪些影響?
• 手-眼行為在不同環境下是怎樣的?

研究目標

• 得到不同場景中關于手眼協調性的新見解。
• 推薦一種有效的宇航員訓練項目。

研究方法

在(zai)執(zhi)行(xing)兩個(ge)任(ren)務的(de)過(guo)程中記錄(lu)動(dong)作(zuo)、力量和(he)視線位置數(shu)(shu)據(ju)，在(zai)兩種不同環(huan)(huan)境(jing)下(xia)進(jin)行(xing)抓(zhua)(zhua)(zhua)握動(dong)作(zuo)-一種是(shi)常規(gui)的(de)實(shi)驗(yan)室任(ren)務設(she)置（L），另一種是(shi)更(geng)貼近日常生活的(de)任(ren)務設(she)置（E）。研究人員(yuan)首先會讓年輕、健康(kang)的(de)右(you)(you)利手被(bei)(bei)試者執(zhi)行(xing)兩個(ge)抓(zhua)(zhua)(zhua)取任(ren)務，并對常規(gui)參數(shu)(shu)進(jin)行(xing)對比(bi)（如，動(dong)作(zuo)時間，手部的(de)運動(dong)角速度峰值(zhi)(zhi)，抓(zhua)(zhua)(zhua)握縫隙最大值(zhi)(zhi)，抓(zhua)(zhua)(zhua)握目標物(wu)體時的(de)抓(zhua)(zhua)(zhua)握力度初始值(zhi)(zhi)與(yu)最大值(zhi)(zhi)）。接(jie)下(xia)來(lai)由12名健康(kang)的(de)右(you)(you)利手被(bei)(bei)試者依次進(jin)行(xing)實(shi)驗(yan)，對1G和(he)0G環(huan)(huan)境(jing)下(xia)得到(dao)的(de)數(shu)(shu)據(ju)進(jin)行(xing)比(bi)較。

實驗是在一(yi)(yi)(yi)架翻新的(de)(de)(de)(de)(de)空客(ke)A-300客(ke)機(ji)中進行的(de)(de)(de)(de)(de)，地面測試(shi)(shi)采用(yong)相同設置（見圖1）。被(bei)試(shi)(shi)者(zhe)坐在擺(bai)放(fang)了Tobii T60眼動儀的(de)(de)(de)(de)(de)桌(zhuo)前，眼動儀會持續(xu)記錄被(bei)試(shi)(shi)者(zhe)雙眼的(de)(de)(de)(de)(de)水平(ping)和垂直坐標(biao)(biao)位置。要求一(yi)(yi)(yi)組(zu)被(bei)試(shi)(shi)者(zhe)來(lai)玩一(yi)(yi)(yi)款電腦(nao)游戲(xi)，即使(shi)用(yong)操作(zuo)(zuo)(zuo)桿(gan)(gan)來(lai)抓(zhua)(zhua)(zhua)到虛擬的(de)(de)(de)(de)(de)“蜘蛛”。每完(wan)成(cheng)一(yi)(yi)(yi)個(ge)游戲(xi)等級，被(bei)試(shi)(shi)者(zhe)必須握住一(yi)(yi)(yi)個(ge)柱形操作(zuo)(zuo)(zuo)桿(gan)(gan)并將其前后(hou)滑動來(lai)收集游戲(xi)獎勵，然后(hou)繼續(xu)游戲(xi)。這些抓(zhua)(zhua)(zhua)握動作(zuo)(zuo)(zuo)都屬于(yu)日常生活(huo)類(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)任(ren)務，與(yu)(yu)上(shang)(shang)述標(biao)(biao)準（任(ren)務E）一(yi)(yi)(yi)致(zhi)。讓(rang)第二(er)組(zu)被(bei)試(shi)(shi)者(zhe)抓(zhua)(zhua)(zhua)握操作(zuo)(zuo)(zuo)桿(gan)(gan)并根(gen)據(ju)一(yi)(yi)(yi)個(ge)視覺觸發(fa)事件“自然”地滑動；研究(jiu)人員會告知(zhi)這些被(bei)試(shi)(shi)者(zhe)他們的(de)(de)(de)(de)(de)抓(zhua)(zhua)(zhua)握反應將被(bei)記錄與(yu)(yu)分析(xi)。這些抓(zhua)(zhua)(zhua)握動作(zuo)(zuo)(zuo)都屬于(yu)實驗室(shi)類(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)任(ren)務，與(yu)(yu)上(shang)(shang)述標(biao)(biao)準（任(ren)務L）一(yi)(yi)(yi)致(zhi)。兩(liang)(liang)組(zu)被(bei)試(shi)(shi)者(zhe)執行20次抓(zhua)(zhua)(zhua)握動作(zuo)(zuo)(zuo)，均從搖(yao)桿(gan)(gan)的(de)(de)(de)(de)(de)相同位置開始，在操作(zuo)(zuo)(zuo)桿(gan)(gan)的(de)(de)(de)(de)(de)相同位置結束。手(shou)部運動數據(ju)由(you)兩(liang)(liang)部Vicon® MX-F20 3D 高分辨率(lv)紅外攝(she)像(xiang)機(ji)記錄，手(shou)柄力度由(you)6方向力傳感器記錄(ATI®Nano 17)，手(shou)部位置通過擺(bai)放(fang)在不同位置的(de)(de)(de)(de)(de)傳感器記錄(Burster® 8740)。

圖(tu) 1: 飛機艙內的實驗場景。圖(tu)為一名被試者(zhe)(zhe)在進行任務E，一名操作者(zhe)(zhe)在微重力（0G）環境中。

判定眼動指標

研究發現了兩個與眼動行為(wei)相關的(de)有趣指標：從抓取信號出現到手(shou)柄(bing)的(de)首次眼跳(tiao)延(yan)遲是多少？ 視線(xian)在(zai)手(shou)柄(bing)上(shang)的(de)停留時間(jian)有多久？如圖2所(suo)示，由于手(shou)柄(bing)是放置在(zai)屏幕(mu)旁邊的(de)，因此(ci)無法(fa)使用Tobii Studio來(lai)分析手(shou)柄(bing)上(shang)的(de)注視點。盡(jin)管如此(ci)，眼動儀仍可以記錄屏幕(mu)邊框前的(de)注視線(xian)位置。

研究中，眼動儀(yi)與其他實(shi)驗軟件通過事件標記的(de)形式進行同步。研究使用了自主(zhu)開發的(de)交互(hu)軟件來分析視線數據: 將每(mei)次(ci)抓握實(shi)驗的(de)雙(shuang)眼x和(he)y坐標進行描繪，并(bing)對(dui)操作桿附(fu)近興趣區內的(de)視線位置進行了判定(ding)。

研究結論與討論

在之前的研究中發現，抓(zhua)握能(neng)力在兩個任務中有著多方面(mian)的差異。與L組相(xiang)比(bi)，E組的被試(shi)者的反應速度略慢，力度更小，準確(que)度稍差。因子分析(xi)確(que)認了這(zhe)些差異是不相(xiang)關的。因此(ci)，行為環境對(dui)抓(zhua)握能(neng)力的影響是取(qu)決于多方面(mian)獨立因素的。

圖2顯(xian)示出將Tobii眼動(dong)儀嵌(qian)入到(dao)(dao)專業的(de)(de)(de)(de)(de)航空硬件(jian)中(zhong)(zhong)以及在(zai)任(ren)務(wu)(wu)(wu)L(圖 2A) 與任(ren)務(wu)(wu)(wu)E(圖 2B) 中(zhong)(zhong)記錄(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個眼動(dong)數據樣(yang)本。圖3表示視線延遲的(de)(de)(de)(de)(de)平均值，圖4顯(xian)示的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)任(ren)務(wu)(wu)(wu)L和任(ren)務(wu)(wu)(wu)E中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)操作桿的(de)(de)(de)(de)(de)平均注(zhu)視時間（一(yi)次1G，一(yi)次0G）。研究的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要發現是(shi)(shi)L組到(dao)(dao)E組對操作桿的(de)(de)(de)(de)(de)注(zhu)視時間在(zai)統計學上的(de)(de)(de)(de)(de)顯(xian)著(zhu)增(zeng)加，甚(shen)至比(bi)0G到(dao)(dao)1G的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加幅度還大。L組比(bi)E組被試者(zhe)使用了更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)視覺(jue)反饋(kui)，不同(tong)環(huan)境(jing)下的(de)(de)(de)(de)(de)差異在(zai)失(shi)重環(huan)境(jing)下更(geng)加顯(xian)著(zhu)。相反地，E組的(de)(de)(de)(de)(de)手(shou)部(bu)運動(dong)和力度在(zai)1G到(dao)(dao)0G條件(jian)下的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化比(bi)L組更(geng)為顯(xian)著(zhu)。

此(ci)研究結(jie)論證明了(le)L組(zu)在進(jin)行(xing)手動操作(zuo)(zuo)時(shi)通過視(shi)線和注意的(de)引(yin)導(dao)-即在操作(zuo)(zuo)桿上用(yong)了(le)更長的(de)注視(shi)時(shi)間，對0G環境下的(de)不(bu)利影(ying)響(xiang)進(jin)行(xing)了(le)補(bu)償。E組(zu)的(de)被試(shi)者沒有完善手動操作(zuo)(zuo)能力的(de)動機(ji)，并未改變(bian)他們的(de)眼動行(xing)為，而(er)是選擇容許更大幅度抓握(wo)動作(zuo)(zuo)的(de)變(bian)化(hua)。研究得出了(le)以(yi)下結(jie)論：

• 實驗室任務低估了失重狀態對自然行為的影響
• 其原因是被試者在0G環境下使用了更多的注意力，實驗室任務可能是一種訓練宇航員執行太空任務的有效方法。

圖(tu)2: Tobii T60眼(yan)動(dong)儀被固(gu)定金(jin)屬框(kuang)架(jia)中，以便于在無重(zhong)力飛行時能夠使用。動(dong)作目標(biao)（操作桿）固(gu)定在右側，位于屏(ping)幕邊緣(yuan)以外，這樣Tobii眼(yan)動(dong)攝像機仍(reng)能夠記錄眼(yan)動(dong)數據。紅色(se)小圓點代(dai)表被試者看到操作桿之前的(de)視線的(de)移動(dong)軌跡。A: 表(biao)示實驗室任(ren)務(L) 和在(zai)操作桿上的視線停留時間(較大的圓(yuan)點)。B: 表示任務(wu)E和在操作桿上的停(ting)留時間(jian) (小圓點)。

圖 3: 被試者在兩個任務(wu)中的(de)平均(jun)視(shi)線(xian)(xian)延(yan)遲時(shi)間, 1G和(he)0G各一(yi)次。誤(wu)差線(xian)(xian)代表相關的(de)標準差。	圖4:被試者在兩個任務中在操作桿上的視線停留時間 1G和0G各一次。誤差線代表相關的標準差。