《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Discrete Tactile Feedback Based on Weber’s Law Enhances Prosthetic Hand Approaching Performance Under Divided Visual Attention
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本研究针对截肢者在视觉注意力分散时难以精确控制假手接近目标物体的难题，创新性地提出了一种基于韦伯定律(Weber's law)的离散触觉反馈策略(WDIS)。通过在假手接近物体过程中提供符合人类距离感知规律的非均匀振动提示，研究证明该策略能显著提高假手在视觉分散条件下的接近精度和稳定性，缩短任务完成时间，并改善用户体验，为提升日常环境中假手实用性和接受度提供了重要解决方案。
对于上肢截肢者而言，在日常生活中熟练使用肌电假手完成物体抓取和操作是一项重大挑战。与健全个体能够无缝整合本体感觉和视觉信息不同，截肢者由于缺乏来自假手的自然感觉反馈，在控制假手接近目标物体时面临显著的感觉运动障碍。这个过程尤为关键，因为精确接近是成功抓取和操作物体的基础。然而，现实生活场景往往要求多任务处理，例如一边盯着电脑屏幕，一边伸手去拿水杯。这种视觉注意力分散的情况迫使截肢者主要依赖周边视觉来监控假手与目标物体的相对位置。由于周边视觉的空间分辨率较低、处理速度较慢，导致假手控制精度下降、稳定性变差，需要投入更多时间和认知资源，这不仅降低了假手的功能性，还可能引起用户不满，进而导致假手被弃用。
为了应对这一挑战，发表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上的研究论文“Discrete Tactile Feedback Based on Weber's Law Enhances Prosthetic Hand Approaching Performance Under Divided Visual Attention”进行了一项创新性探索。该研究旨在验证功能有效的补充感觉反馈能否在视觉分散条件下增强假手在接近物体阶段的控制性能。
研究人员设计了两项实验任务——APPROACHING（接近）任务和PINCH（捏取）任务，并在两种视觉反馈模式下进行：全视觉模式（中央视觉完全专注于监控假手和目标）和部分视觉模式（模拟视觉注意力分散，受试者需注视屏幕一侧的干扰点，仅通过周边视觉监控假手位置）。在假手接近目标的过程中，研究比较了四种反馈条件：无补充感觉反馈(PURE)、传统的连续振动反馈(CONT)、均匀分布的离散反馈(ADIS)以及本研究提出的基于韦伯定律的新型离散反馈策略(WDIS)。WDIS策略的核心创新在于其反馈触发点的设置遵循韦伯定律这一人类感知的基本原理。韦伯定律指出，人们对刺激变化的感知灵敏度与初始刺激量成反比。在物体接近场景下，这意味着对剩余距离变化的感知灵敏度随着接近目标而增加。因此，WDIS策略在初始距离的1/2、3/4和7/8处设置非均匀的振动提示点，越靠近目标，反馈点越密集，更符合人类的自然感知规律，而ADIS策略则在1/3和2/3等均匀距离处提供反馈。
为开展研究，团队招募了21名健康受试者和2名前臂截肢者参与实验。实验装置主要包括一个单自由度移动平台（用于固定假手并约束其沿直线接近目标）、一台肌电假手(SJT-7 hand)、激光距离传感器（用于实时测量假手位置）以及一个线性共振执行器(LRA)振动电机（用于在受试者上臂提供振动触觉反馈）。假手位置被映射到屏幕上一个红色方块的位置，目标物体位置则由一条绿色线条表示。在PINCH任务中，目标是一个可在线性导轨上滑动的方块，成功捏取要求假手指精确接触方块两侧且位移不超过1厘米。心理物理评估则通过NASA-TLX工作量量表和自定义问卷（评估信心、自然度、益处和愉悦度）进行。
研究结果
1. 视觉分散显著损害假手接近物体的控制性能
在完全视觉模式下，四种反馈条件间的性能差异不显著，表明当中央视觉可用时，视觉反馈占主导地位。然而，在部分视觉模式下，所有反馈条件下的位置误差和端点位置离散度均显著大于全视觉模式。这证实了在视觉注意力分散、依赖周边视觉时，假手接近物体的准确性和稳定性确实受到严重损害。
2. WDIS策略在视觉分散下显著提升接近性能
在部分视觉模式下，两种离散反馈(ADIS, WDIS)均比无反馈(PURE)和连续反馈(CONT)显著降低了绝对位置误差和端点离散度。尤为重要的是，WDIS策略的表现优于ADIS策略，其绝对位置误差显著更小。这表明基于韦伯定律设计的离散反馈能更有效地提高控制精度。WDIS策略的成功初步证明了离散事件驱动感觉反馈控制(DESC)的原则——利用离散感觉事件标记任务进程并指导预测性调整——有可能从操作阶段（如物体接触/抬起）扩展到接近阶段。WDIS策略将特定的距离阈值（50%, 75%, 87.5%）视为接近过程中的控制点。
3. 任务完成时间与心理体验
在部分视觉模式下，WDIS的任务完成时间显著短于ADIS，但长于PURE和CONT。这符合离散反馈需要额外认知处理的普遍观察。然而，结合其性能优势，WDIS在效率和控制质量之间取得了更好的平衡。问卷结果显示，受试者认为WDIS更自然、更直观、益处更大、愉悦度更高，同时NASA-TLX工作量评分更低，自信心评分更高。这表明WDIS能提供更好的用户体验和更低的认知负荷。
4. WDIS提升复杂操作任务表现
在更具挑战性的PINCH任务中，部分视觉模式下，WDIS条件下的捏取失败次数显著少于其他所有反馈条件。而ADIS则未显示出显著优势。这表明在高注意力需求的任务中，WDIS的直观设计使其优势更加凸显。
5. WDIS对截肢者同样有益
两名截肢受试者的数据趋势与健康受试者基本一致。在APPROACHING和PINCH任务中，WDIS均有助于提高性能，并且他们也给予了WDIS更积极的主观评价，表明该策略对实际假手用户具有潜在应用价值。
结论与意义
本研究证实，基于韦伯定律设计的离散触觉反馈策略(WDIS)能够使用户在视觉注意力分散的条件下，更准确、更稳定地控制假手接近物体，同时改善用户体验。与传统的均匀离散反馈(ADIS)和连续反馈(CONT)相比，WDIS因其更符合人类距离感知规律而更具优势。
这项研究的意义在于：首先，它为解决截肢者在日常多任务环境中使用假手时面临的视觉注意力冲突问题提供了一个有效的感官替代方案，有望提高假手的实用性和用户接受度。其次，它成功地将人类感知的基本原理（韦伯定律）融入假手感觉反馈的设计中，证明了符合感知机制的反馈编码可以带来更直观、有效的控制，这为假肢技术以及其他领域（如机器人学、虚拟现实、人机交互）的反馈设计提供了新的思路。未来的研究将在更自然的环境中和更多截肢者群体中进一步验证WDIS的有效性，并探索将其与比例控制肌电假手结合应用的潜力。
