触觉运动错觉感知：时长与视觉反馈的影响及虚拟现实应用意义

《Scientific Reports》：Influence of duration and visual feedback on the perception of tactile illusions of motion

为探究触觉运动错觉（如幻影运动 PM 和皮肤兔 CR）感知的影响因素，研究人员开展了两项实验。结果发现，PM 持续时间影响感知终点位置，CR 则不受影响，且视觉反馈主导 PM 和 CR 感知。该研究为 VR 环境中触觉错觉的应用提供了重要依据。

　　在我们的日常生活中，触觉是一种非常重要的感觉，它能帮助我们探索周围的世界，比如我们伸手触摸物体，就能感受到物体的质地、形状等。然而，当我们感知到的触觉与实际的刺激不一致时，就会出现触觉错觉现象。像幻影运动（phantom motion，PM）和皮肤兔（cutaneous rabbit，CR）这两种触觉错觉，它们仅通过一对致动器就能传递运动和方向信息，在虚拟现实（Virtual Reality，VR）和增强现实（Augmented Reality，AR）等领域有着潜在的应用价值，比如可以用在 VR 游戏中，让玩家有更真实的触感体验。

但目前关于触觉错觉的研究还存在一些问题。一方面，之前的研究发现，一些与触觉错觉相关的因素，如刺激时间、错觉持续时间等，对触觉错觉的影响并不明确。例如，之前有研究发现，移动点在皮肤上的运动速度会影响参与者对其移动距离的感知，但这种影响在不同的触觉错觉中是否一致还不清楚。另一方面，在 VR 和 AR 系统中，虽然触觉反馈很重要，但引发这些触觉错觉需要特定的硬件设备，这使得触觉错觉在 VR 人机交互中适应性和可重用性较差。而且，视觉反馈对触觉错觉感知的影响也有待深入研究。

为了解决这些问题，来自西班牙马拉加大学（Universidad de Málaga）的研究人员开展了一项研究。他们进行了两项实验，旨在探究触觉运动错觉的持续时间对感知终点位置的影响，以及视觉模态是否会影响 PM 和 CR 的感知。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员在实验中用到了以下几个主要关键的技术方法：

1. 定制振动触觉致动器：采用音圈类型定制致动器，使其能产生实验所需的振动触觉刺激，确保与手掌贴合及正常工作。
2. 设计实验装置：制作 U 形带圆形截面的触觉接口，将致动器嵌入其底部中心，合理设置致动器间距，并做好隔振处理；同时搭建包含屏幕、电脑、放大器等的实验系统，用于呈现刺激和收集数据。
3. 招募志愿者并分组实验：招募 42 名志愿者，随机分为两组分别参与仅触觉刺激（haptic stimulation）的实验 1 和视觉 - 触觉刺激（visuo-haptic stimulation）的实验 2。

下面介绍研究结果：

1. 实验 1：触觉刺激
   • PM 错觉：通过 Wilcoxon Signed-Rank 检验和 Friedman 检验等统计分析发现，PM 错觉持续时间对感知终点有显著影响（χ2=159.93 ， p=6.13×10?32 ），持续时间越长，感知终点越远离手部，甚至超出设备边界；而运动方向对感知终点无显著影响。从数据上看，当持续时间为 3s 时，90% 的终点被感知在手部之外，其中一半超出设备范围。
   • CR 错觉：Friedman 检验表明，CR 错觉持续时间对感知终点无显著差异（χ2=0.8 ， p=0.669 ），但运动方向有显著影响（ W=1227 ， z=2.3 ， p=0.022 ），从左到右的运动感知终点比从右到左更远。并且，大部分 CR 错觉终点被感知在手部之外但在设备内部。
   
   
2. 实验 2：视觉 - 触觉刺激
   • PM 相关实验：对 PM 视觉和触觉刺激间的连贯性进行 Friedman 检验，发现视觉刺激的位置和方向对感知连贯性有显著影响（χ2=17.73 ， p=0.003 ），但参与者间一致性较低（ W=0.056 ）。整体上，参与者认为视觉和触觉刺激的连贯性在 4（非常相似）到 5（相同）之间。而且，视觉刺激似乎主导了 PM 感知，即使视觉和触觉刺激不一致，参与者也倾向于根据视觉刺激来感知运动。
   • CR 相关实验：对于 CR，Friedman 检验显示视觉刺激位置和方向对感知连贯性有显著影响（χ2=11.35 ， p=0.023 ），但参与者间一致性低（ W=0.045 ）。多数参与者认为视觉跳跃点和手部感知的 CR 连贯性在 4 到 5 之间，且多数认为两种模态的跳跃数和运动位置、方向匹配。
   
   

在研究结论和讨论部分，该研究有重要意义。在 PM 错觉中，发现其持续时间与感知距离呈强正相关，这有助于理解 PM 错觉的感知机制，在 VR 等应用中，可以通过控制持续时间来调整用户的感知体验。而 CR 错觉不受持续时间影响，但运动方向有影响，这也为进一步研究 CR 错觉提供了方向。在视觉反馈方面，实验表明视觉刺激对 PM 和 CR 感知有主导作用，这意味着在 VR 和 AR 环境中，可以利用简单的双致动器触觉设备，结合合适的视觉刺激，就能为用户提供清晰多样的触觉感知体验，降低了硬件成本和复杂性。不过，该研究也存在一定局限性，比如使用连贯性水平来评估视觉 - 触觉整合，无法深入分析不一致的具体来源。未来研究可以采用新的参数来进一步探究这一问题。总之，这项研究为触觉错觉在 VR、AR 等多模态应用中的有效实施提供了有价值的参考，推动了相关领域的发展。