文|時夢嫣
編輯|時夢嫣
1.簡介
過去二十年的技術進步使得可佩戴振動觸覺顯示器成為各種觸覺呈現設備的非常有吸引力的選擇。在科學論文和商業產品中已經引入了這種設備的幾種變體，並且可以在同一顯示器中傳達各種振動觸覺刺激.音圈致動器因其眾多優點而廣泛用於這種顯示器中，包括它們被結合到基於織物的顯示器中的能力，使它們便於攜帶和方便使用。
這些致動器陣列的使用，例如在觸覺套筒中使用的那些，允許對用戶的大量信息進行編碼。振動觸覺模式可以通過操縱致動器上振動的順序來呈現，從而能夠向用戶呈現大範圍的感覺。音圈致動器在可佩戴振動觸覺顯示器中的使用為新穎和複雜的觸覺技術的發展開闢了令人興奮的可能性.
一些研究人員研究了刺激持續時間對觸覺識別準確性的影響，並發現了顯著的可變性，揭示了振動觸覺刺激的持續時間可以顯著影響定位準確性，持續時間較長的刺激通常會導致更好的表現。
刺激頻率和位置，能對前臂音圈致動器振動觸覺辨別性能產生影響嗎？
2.實驗
2.1.一般實驗設置
這項實驗是在冰島大學的消聲室中進行的。參與者坐在筆記本電腦前的椅子上。可佩戴的振動觸覺套筒放置在左前臂上，觸覺致動器在背側。參與者將他們的前臂放在一個泡沫墊上(桌子上),手掌朝下。
通過在視線中放置泡沫來阻止他們對左臂的觀察，以防止任何潛在的視覺偏差(例如來自可見振動的視覺偏差)。
為了防止觸覺致動器發出聽覺提示，通過耳掛式耳機播放白雜訊來掩蓋致動器發出的任何聲音。振動觸覺刺激通過三個音圈致動器(型號:Lofelt L5，參見圖2a)傳遞到前臂。
在記錄每個參與者的數據之前，加速度測量用於校準振動觸覺信號的強度。三軸加速度計(brüEl & kjr Type 4520)用於測量振動的加速度並校準其強度。
為了保證一致性並消除任何偏差來源，在開始辨別測試之前，對每個參與者單獨執行該校準過程。校準每個參與者前臂上的振動觸覺套筒，使我們能夠確保在整個實驗過程中，皮膚感受到相同的信號強度。
還使用FSR03系列(Ohmite Manufacturing Company，Warrenville，IL，USA)的力敏電阻器(FSR)在外殼和前臂皮膚的接觸表面進行力測量，並在1.64 N下獲得表1提供實驗中使用的不同頻率下信號的加速度幅度。
表1。研究中所有頻率的振幅和加速度幅度。
我們測量了每位參與者(四名男性和四名女性)的前臂長度，這些信息顯示在表2。
表二。左前臂長度測量。
研究參與者在前臂長度上沒有顯著差異，因此平均前臂長度被用作獲取生物特徵信息的參數。研究參與者的平均前臂長度為23.3厘米。圖1顯示了沿前臂放置的致動器的生物特徵尺寸。
圖一。用於確定三個致動器(×)沿前臂的位置的生物統計學測量值是從實驗中八個參與者的平均前臂長度得出的。致動器的中心點用於精確測量。致動器之間的距離為20 mm，而音圈寬度為17 mm。
第一個致動器的中心點到手腕的距離為41.4 mm，這說明了33 mm的拉伸帶寬度和距第一個致動器中心的額外的8.5 mm尺寸。
音圈致動器由連接到筆記本電腦的音頻硬體供電和控制，定製的Python代碼控制刺激呈現。致動器通過有線介面連接到音頻硬體。
音頻硬體包括數字音頻介面(RME馬迪法斯XT) 數模轉換器(鐵魚A32)、多通道放大器和平行振動音圈致動器(Lofelt L5) .使用這種設置，可以獨立控制多達32個觸覺通道。觸覺致動器沿縱向放置在前臂背側，引起垂直於前臂長度的來回振動。在主要實驗開始之前，參與者完成了一些訓練試驗，以熟悉設置、儀器和觸覺刺激。
2.2.執行器
觸覺刺激是使用音圈致動器產生的，特別是Lofelt L5型號(如所示圖2a，b)。L5致動器是一種擴展頻帶類型的致動器，能夠獨立操縱刺激頻率和振幅，並廣泛用於實現用於科學目的的觸覺刺激.
圖二。（a)本研究中使用的音圈致動器(型號:lo felt L5)；（b)關於L5音圈致動器的空間尺寸的技術細節和信息.
L5致動器具有高加速度和高效率、輕質設計和高成本效益的特點，適合各種振動觸覺顯示器，如所示表3。此外，Lofelt L5音圈致動器可以產生平行於皮膚的振動，包括切向振動.
表3。Lofelt L5執行器的觸覺、電氣和聲學特性.
L5致動器被放置在專門為觸覺套筒設計的外殼中。外殼設計測試了幾個版本，最終設計是直接3D列印到織物上的(圖3a，b)。外殼/外罩的目的是防止致動器與其他物體接觸，從而抑制振動。L5致動器的物理尺寸為W: 17.0 × D: 20.5 × H: 6.2 mm，在最大位移振動時，其尺寸為W: 17.0 × D: 25.5 × H: 6.2 mm(致動器可能不會振動到最大，但可以做到)。外殼的尺寸為寬:17.0 ×深:28 ×高:6.2毫米(參見圖3a)。
圖3。（a2)用於沿著前臂應用Lofelt L5致動器的套筒設計的概述；（b)可佩戴振動觸覺套筒和致動器配置的示例。
2.3.振動觸覺套筒
一個柔軟而薄的基於織物的振動觸覺套筒是專門為這個實驗製作的。觸覺套筒由強力網眼織物(強力網眼織物材料:90%尼龍和10%氨綸)製成，這使得可穿戴套筒舒適且用戶友好。帶有Velcro的彈性帶用於將觸覺套筒固定到前臂上，並使其易於根據用戶前臂的厚度進行調節(參見圖3b)。
外殼以垂直於前臂長度的3 × 1陣列(縱向)沿前臂背側放置(圖3a，b)。致動器之間的間距為20 mm。使用該距離的決定是基於我們之前的研究，當考慮到L5致動器的設計便利性時，其用於確定提供最高定位精度的音圈致動器之間的間距。
2.4.參與者
八名參與者(四名女性和四名男性，年齡在23至37歲之間)參加了這項研究。所有參與者都是右利手，自我報告有正常的觸覺感知。他們是健康的成年人，沒有報告任何可能影響他們完成任務能力的認知或感覺障礙。在參與研究之前，每個參與者都簽署了一份書面同意書。該研究是根據當地倫理委員會和赫爾辛基宣言的要求進行的。
2.5.程序
該研究旨在調查前臂上觸覺刺激的頻率是否對參與者的定位靈敏度有任何影響。每位參與者都有96對觸覺配對。每個觸覺對包括由致動器提供的兩個連續的觸覺刺激。每個觸覺刺激的持續時間為250毫秒，刺激間隔為100毫秒。確保刺激持續時間的準確調整需要考慮系統的上升和停止時間。
在每一對觸覺呈現後，參與者被要求報告該對觸覺是由同一個致動器提供的還是來自兩個不同的致動器(2AFC範式)。觀察者的反應是在指定的反應時間內(在每個觸覺對出現的間歇時間內，最長2000毫秒)按下他們面前桌子上數字鍵盤上的兩個鍵中的一個。一旦他們提供了反饋，或者如果從呈現該對觸覺刺激起已經過了超過2000 ms，則呈現新的一對振動觸覺刺激(圖4).
圖4。一名參與者戴著振動觸覺套，手放在墊子上，使用耳機(播放白雜訊)屏蔽外部聽覺提示。另一個墊子阻止觀察者看到他們的左手。觀察者通過按下無線鍵盤上相應的鍵來響應振動觸覺刺激是在相同還是不同的位置。
3.結果
我們使用2AFC範式來研究每個刺激的振動頻率及其刺激位置如何影響振動觸覺刺激對的定位精度。觀察者的任務是指出兩次刺激是否發生在同一位置，感興趣的主要變數是這項任務的準確性。
總的發現(在這種情況下，不管刺激是否是S一還是S2)顯示在圖5甲，乙。圖6顯示了按第一刺激(面板中的第一刺激(S1 ))和第二刺激(S)的頻率細分的結果2)由不同的點表示)。進行三向ANOVA分析以檢驗三個獨立變數的影響:(1)第一刺激的頻率(S1)，(2)第二刺激的頻率(S2)，和(3)刺激的位置對定位準確性的影響。
圖5。（a)作為前臂上刺激的函數的辨別準確度。三個致動器放置在沿前臂的三個位置:一個靠近手腕，一個靠近肘部，一個在中間(見方法)。刺激以五種不同的方式呈現，包括(1)兩種刺激都呈現在手腕上，(2)兩種刺激都呈現在肘部附近，(3)兩種刺激都呈現在中間致動器(中間)，(4)第一刺激(S1)呈現在中間，第二刺激(S2)呈現在手腕上，反之亦然(手腕和中間之間的位移)，(5)第一刺激(S1)呈現在中間，第二刺激(S2)呈現在肘部，反之亦然(肘部和中間之間的位移)。（b)S的精度分布一和S2作為頻率的函數。
圖6。不同頻率組合的平均正確率一在不同的面板中表示(a–d)並且每個面板中的不同點表示S的頻率2。
方差分析揭示了位置的主效應(F (2，18)= 20.58；p= 0.00002).頻率的影響(無論是對S1還是S2)都不顯著，任何交互作用也不顯著(所有p值%3E為0.54)。這些發現清楚地表明，刺激的位置對判斷序列中是否刺激了一個或兩個不同位點的準確性有顯著影響，正如ANOVA清楚地表明的位置的大影響。具體來說，當兩種刺激都出現在靠近手腕和肘部的致動器上時，準確度明顯更高(參見圖5a)。
事後分析，帶Bonferroni校正(p-調整到0.005的值；看見表4)，揭示了不同刺激位置的定位精度和辨別精度的統計顯著差異，特別是顯示了手腕和肘部的性能最佳。
表4。這p-事後測試的值。
4.討論
用於增強感知或用於感官替代的振動觸覺顯示器的發展使得理解人類觸覺感知的機制變得非常重要。為了優化皮膚刺激參數的吞吐量，重要的是研究在它們的軌跡變得不可區分之前在特定區域內可以放置多少致動器，以及各種參數如何影響準確性和信息的有效傳遞。
為了應對這些挑戰，我們進行了一項實驗，比較了一系列觸覺刺激在前臂背側不同部位的定位:手腕、手腕和肘部之間的前臂長度以及肘部附近。我們的目的是探索3 × 1音圈致動器陣列的尺寸對振動觸覺定位的影響。我們的數據，使用相對點定位，證明了刺激沿著前臂的位置顯著影響辨別的準確性。
我們以前的結果表明，當同時考慮性能精度和設計便利性(具有L5個致動器)時，致動器之間的最佳距離約為20 mm。然而，進一步的研究是必要的，以測試這樣的假設，即在腕部和肘部附近使用更密集的致動器放置或者對於沿著前臂放置的致動器使用更高的振動幅度將提高精確度。
未來測試的一個有趣的建議是，前臂上的振動觸覺定位是否存在各向異性，即靠近假定的錨點準確性更高。
5.結論
雖然實現高於概率水平的識別精度不一定保證有效的信息傳輸，但是所需的精度水平最終取決於給定應用的具體目標。我們的實驗為前臂振動觸覺顯示器的設計參數提供了有價值的見解，特別是關於致動器的配置和放置。沿著前臂的刺激位
此外，該實驗提高了研究前臂振動觸覺定位各向異性的可能性。需要進一步探索，以確定在手腕和肘部附近使用更密集的致動器放置，或者對沿前臂放置的致動器使用更高的振動幅度是否可以進一步提高精度。
總之，我們的研究有助於我們理解人類觸覺感知的機制，並為前臂安裝式振動觸覺顯示器的設計提供了有價值的建議。通過將這些見解整合到開發過程中，創建更有效和高效的系統變得可行，這些系統可以增強用戶的體驗和與觸覺反饋的交互，最終提高性能和可用性。
因此，這項研究促進了我們對影響振動觸覺信息有效傳輸的因素的理解，並可能為創建用於前臂安裝顯示器的更複雜的觸覺反饋技術鋪平道路。這種發展只有在清楚地理解所討論的知覺機制的心理物理學特性的情況下才會成功。
參考
- 瓦爾松，E.At .Á·斯蓋爾斯多蒂爾；平德，女；Á克里斯蒂安松。；使用平行振動致動器在腕部進行振動觸覺閾值測量。ACM Trans應用感知。 2022,19, 1–11.
- 譚，何鴻志；新澤西州杜拉赫；里德，C.M多指觸覺顯示器的信息傳輸。感知。心理生理。 1999,61, 993–1008.
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