研究背景

實驗室研究已為在高度受控環(huán)境下的人類運動感知與眼動能力提供了重要的研究結論。例如，在無重力飛行時和國際空間站（ISS）中的研究已歸納出失重條件對宇航員的精細運動機能帶來了哪些不利影響。然而，對于已發(fā)現(xiàn)的影響因素能否對更自然的運動帶來影響則不得而知。該實驗室與現(xiàn)實生活環(huán)境有著多方面的區(qū)別，如側重于注意、重復、表象和動機的類型、外部觸發(fā)事件和最終行為目標的研究。

早期的研究已建立了一種理論，即抓握的動作在常規(guī)實驗室環(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到一種單一原因，如，嚴格受控的環(huán)境對比松懈的受控環(huán)境。當前的研究重點是在兩種環(huán)境下的眼動研究，即在常規(guī)重力環(huán)境下（1G）執(zhí)行一次任務，在無重力飛行的失重環(huán)境下（0G）再執(zhí)行一次。假設不同的環(huán)境下眼動控制會出現(xiàn)差異，那么在0G的環(huán)境下差異會更加顯著。

研究問題

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

研究目標

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

研究方法

在執(zhí)行兩個任務的過程中記錄動作、力量和視線位置數(shù)據(jù)，在兩種不同環(huán)境下進行抓握動作-一種是常規(guī)的實驗室任務設置（L），另一種是更貼近日常生活的任務設置（E）。研究人員首先會讓年輕、健康的右利手被試者執(zhí)行兩個抓取任務，并對常規(guī)參數(shù)進行對比（如，動作時間，手部的運動角速度峰值，抓握縫隙最大值，抓握目標物體時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行實驗，對1G和0G環(huán)境下得到的數(shù)據(jù)進行比較。

實驗是在一架翻新的空客A-300客機中進行的，地面測試采用相同設置（見圖1）。被試者坐在擺放了Tobii T60眼動儀的桌前，眼動儀會持續(xù)記錄被試者雙眼的水平和垂直坐標位置。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”。每完成一個游戲等級，被試者必須握住一個柱形操作桿并將其前后滑動來收集游戲獎勵，然后繼續(xù)游戲。這些抓握動作都屬于日常生活類的任務，與上述標準（任務E）一致。讓第二組被試者抓握操作桿并根據(jù)一個視覺觸發(fā)事件“自然”地滑動；研究人員會告知這些被試者他們的抓握反應將被記錄與分析。這些抓握動作都屬于實驗室類的任務，與上述標準（任務L）一致。兩組被試者執(zhí)行20次抓握動作，均從搖桿的相同位置開始，在操作桿的相同位置結束。手部運動數(shù)據(jù)由兩部Vicon® MX-F20 3D 高分辨率紅外攝像機記錄，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: 飛機艙內的實驗場景。圖為一名被試者在進行任務E，一名操作者在微重力（0G）環(huán)境中。

判定眼動指標

研究發(fā)現(xiàn)了兩個與眼動行為相關的有趣指標：從抓取信號出現(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。盡管如此，眼動儀仍可以記錄屏幕邊框前的注視線位置。

研究中，眼動儀與其他實驗軟件通過事件標記的形式進行同步。研究使用了自主開發(fā)的交互軟件來分析視線數(shù)據(jù): 將每次抓握實驗的雙眼x和y坐標進行描繪，并對操作桿附近興趣區(qū)內的視線位置進行了判定。

研究結論與討論

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

圖2顯示出將Tobii眼動儀嵌入到專業(yè)的航空硬件中以及在任務L(圖 2A) 與任務E(圖 2B) 中記錄的一個眼動數(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L和任務E中的操作桿的平均注視時間（一次1G，一次0G）。研究的主要發(fā)現(xiàn)是L組到E組對操作桿的注視時間在統(tǒng)計學上的顯著增加，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組的手部運動和力度在1G到0G條件下的變化比L組更為顯著。

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

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

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

圖 3: 被試者在兩個任務中的平均視線延遲時間, 1G和0G各一次。誤差線代表相關的標準差。	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。