触觉背心在视野外引导中的注意力辅助：增强人机交互的神经工效学评估

《IEEE Transactions on Industrial Informatics》：Haptic Vest-Attention Assistance for Outside Field-of-View Guidance and Enhanced Human–Robot Interaction

本文针对工业5.0环境中高认知负荷与感官过载问题，提出一种新型触觉背心注意力辅助装置。研究人员通过双任务范式模拟工厂场景，结合EEG（脑电图）与NASA-TLX（任务负荷指数）评估，发现触觉提示相比视觉提示能显著降低Fmθ（额中线θ波）功率与主观工作负荷，为拓展操作员有效视野、优化人机交互提供了神经工效学框架。

　　

在工业5.0时代，数字化工厂的复杂环境让操作员的感官系统不堪重负。视觉显示器、听觉警报和多台机器同时争夺着人类有限的认知资源，这种“感官过载”不仅降低工作效率，更埋下安全隐患。传统解决方案往往顾此失彼：视觉警报需要操作员不断切换视线，增加认知负担；嘈杂环境中的听觉提示则容易被淹没。有没有一种方法，能让人“感知”视野外的重要信息，却不必增加眼睛和耳朵的负担？

这项发表在《IEEE Transactions on Industrial Informatics》的研究给出了创新答案——一款能像轻拍肩膀一样提供触觉提示的智能背心。研究人员设想，通过开发一种可穿戴的触觉接口，将关键信息通过触觉通道传递给操作员，从而解放视觉和听觉通道，降低认知负荷。

为验证这一设想，研究团队设计了一个模拟工厂环境的双任务实验。参与者需要同时完成两项任务：一项是作为主要任务的斯特鲁普测试（Stroop Test），模拟现实中需要高度集中注意力的视觉认知工作；另一项是与人机协作机器人（cobot）的互动，操作员需要在收到提示后转身完成零件组装。关键挑战在于，协作机器人位于操作员身后，完全处于视野之外（outside-FOV）。

实验设置了三种提示条件进行对比：一致性触觉提示（振动方向与需转身方向一致）、非一致性触觉提示（随机振动模式）以及作为常见工业基准的视觉提示。通过结合主观的NASA-TLX工作负荷量表和客观的脑电图（EEG）测量，特别是额中线θ波（Fmθ）功率这一认知努力的有效指标，研究团队能够全面评估不同提示方式对操作员认知状态的影响。

研究采用的关键技术方法包括：设计工厂模拟环境下的双任务范式（主要任务为斯特鲁普测试，次要任务为与人机协作机器人的视野外互动）；使用三种提示条件（一致性触觉、非一致性触觉和视觉提示）进行对比；通过无线32通道EEG系统采集脑电信号，重点分析Fmθ功率；采用NASA-TLX量表评估主观工作负荷；运用先进信号处理技术（包括伪影子空间重建和独立成分分析）处理移动环境中的EEG数据。

主观评分结果

NASA-TLX评分显示，触觉提示在多个维度上显著优于视觉提示。在努力维度上，一致性触觉提示条件下的评分显著低于视觉提示条件。在挫折感维度上，两种触觉提示条件（一致性和非一致性）的评分均显著低于视觉提示。在心理需求维度上，同样发现触觉提示条件下的评分显著低于视觉提示。

生理数据结果

EEG分析进一步支持了主观评分的结果。在Fz（额中线）电极处，一致性触觉提示和非一致性触觉提示均引发显著较低的θ波功率，表明认知努力减少。特别值得注意的是，一致性触觉提示条件下的θ波功率甚至显著低于非一致性触觉提示条件，提示方向性信息可能带来额外的认知益处。

Fmθ（额中线θ波）独立成分分析显示，触觉提示条件下的θ波功率显著低于视觉提示条件，但一致性与非一致性触觉提示条件之间的差异未达到统计显著性。尽管如此，数据趋势表明一致性提示可能具有优势，这可能是由于样本量限制未能检测到细微差异。

研究结论强调，触觉背心作为一种注意力辅助工具，能有效扩展操作员的感知范围，使其能够处理视野外的任务，同时保持对主要任务的注意力。触觉提示在降低认知负荷方面显著优于传统的视觉提示，这一优势在主观工作负荷评分和客观神经生理指标（Fmθ功率）上均得到验证。

讨论部分指出，触觉通道作为相对未充分利用的感官通路，为工业环境中的信息传递提供了宝贵资源。虽然方向性触觉提示的优势在本次研究中未完全显现，但这可能是由于统计功效限制，未来研究需要更大样本量来验证空间提示的潜在价值。该技术的应用前景广阔，从制造业的多工作站协调到物流业的情境意识增强，都能受益于这种直观的人机交互方式。

这项研究的真正突破在于它将人类因素工程与神经科学紧密结合，为工业5.0时代的人机协作提供了科学依据。触觉背心不仅仅是一个技术产品，更是对人类认知特性的深度理解和尊重——它通过符合人类直觉的方式传递信息，减少认知转换成本，最终实现更安全、更高效的人机协作。随着自适应机器学习等技术的引入，未来的触觉系统有望根据个体工作负荷实时调整提示强度，进一步推动智能触觉系统在工业环境中的应用。