《Applied Ergonomics》：Effects of anticipatory auditory cues and non-driving related tasks on motion sickness in automated vehicles
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自动驾驶乘客晕动症缓解策略研究。通过驾驶模拟器实验发现，空间化听觉预告在必要场景下有效降低晕动症，但需经训练内化；认知干扰（无论任务难度）均能抑制晕动症。
作者：Abhraneil Dam 和 Myounghoon Jeon
所属机构：美国弗吉尼亚理工大学工业与系统工程系 Mind Music Machine 实验室，布莱克斯堡，弗吉尼亚州
摘要
在高度自动化的车辆环境中，运动舒适性对于其广泛采用至关重要。由于对驾驶环境的认知减弱以及从事与驾驶无关的任务（NDRTs），自动驾驶车辆的乘客容易患上运动病。提前了解即将发生的运动以及减少因 NDRTs 造成的注意力分散，有可能缓解运动病。本研究使用了一个基于运动的驾驶模拟器，31 名参与者在完全自动化的车辆中进行了简单和复杂的 NDRT 任务，在车辆发生横向加速度前 3 秒显示空间化的听觉提示。结果表明，只有在需要时选择性地显示听觉提示，才能对横向和纵向加速度有效。此外，通过训练或持续接触，也可能需要充分内化提示与运动之间的关联，才能使提示有效。此外，无论 NDRT 的认知需求如何，某种形式的注意力分散都有潜力抑制运动病。
引言
运动病是一种不适状态，其特征包括呕吐、恶心、出汗、发冷、流口水、头晕、嗜睡和疲劳等症状（Bos 等，2005；Diels 和 Bos，2016；Gianaros 和 Stern，2010；Lackner 和 Graybiel，1984；Reason，1978）。
5 级自动化技术可以带来诸如减少人为错误、降低驾驶压力和缩短共享交通等待时间等好处，或者提高运输过程中的生产力，但解决自动驾驶车辆中的运动病问题对于实现这些好处至关重要（Joseph 和 Mondal，2021；Van Brummelen 等，2018；Wallace 和 Silberg，2012；Othman，2022；“SAE International”，2021）。由于不需要亲自驾驶，车辆乘客或乘员可能会从事与驾驶无关的任务（NDRTs）。因此，他们可能比驾驶员更容易出现运动病（Ittner 等，2020；Perrin 等，2013；Rolnick 和 Lubow，1991），并且从事 NDRT 会增加运动病症状（Diels 和 Bos，2016；Lee 等，2021；Shi 和 Frey，2021）。
当乘客连续或长时间暴露在较大的横向和纵向加速度下时，他们容易患上运动病（Mourant 等，2007；Saruchi 等，2020a；Turner 和 Griffin，1999；Wada 等，2012）。相比之下，驾驶员能够控制车辆，因此可以更好地为即将到来的运动做准备，从而减少运动病（Wada 等，2012）。视觉诱导的运动病（VIMS）是一种由视觉刺激引起的运动病，即使没有实际运动（Keshavarz 等，2015；Gianaros 和 Stern，2010）。最广泛接受的运动病成因理论是感觉冲突理论（Cohen 等，2019；Dam 和 Jeon，2021；Diels 等，2016；Diels 和 Bos，2016；Z. Li 等，2022；Reason 和 Brand，1975；Reason，1978）。该理论认为，当“感知到的”和“预期的”感官信息基于以往经验不同时，就会发生运动病（Allred 等，2025）。根据感觉冲突理论，“每次运动发生时，大脑会计算相应的‘传出信号’，并将其从传入的感官信息中减去”（Oman，1998，第 51 页）。也有研究表明，如果这种冲突持续存在，可能会发生保护性适应，最终导致运动病症状消失（Reason，1978）。这可以通过神经不匹配模型来解释，该模型描述了当暴露于新的感官输入时，“神经存储”会将这些信号与之前的感官输入进行比较，以找到最接近的匹配（Reason，1978）。如果两种传出信号之间存在差异，就会产生不匹配信号，如果这种差异超过阈值，就会引起运动病；不匹配信号也会反馈到“神经存储”中，这个过程会重复进行，直到所有过去的传出信号都被比较或找到最佳匹配（Reason，1978）。如果最佳匹配仍然不足以与新的感官输入完全匹配，可以通过反复接触来加强这种匹配，直到保护性适应达到阈值，从而减少运动病（Reason，1978）。最近有研究提出通过“预测”即将到来的运动来减轻运动病（Kuiper 等，2020a，2020b；Ittner 等，2020）。根据神经不匹配理论，能够预测即将到来的运动可以加快找到最佳传出信号匹配的过程，从而减少不匹配，降低运动病（Reason，1978）。
研究表明，使用 3 秒的前馈视觉提示、与行驶方向相反移动的星场、模拟车辆惯性的手机显示屏，或告知即将向前或向后运动的语音警报，可以减少运动病（Karjanto 等，2018；Feenstra 等，2011；Meschtscherjakov 等，2019；Kuiper 等，2020a；Hainich 等，2021；Karjanto 等，2021）。在一项实际研究中，参与者在动作发生前 1 秒通过语音被告知即将进行的操作（“减速至停止”），运动病程度降低了 17%（Diels 等，2018；Diels 和 Bos，2021）。在一条测试轨道上，提前一秒通过语音提示告知前后运动，发现这些提示可以减少 17% 的运动病。在另一项研究中，关于即将发生运动的听觉图标也显著减少了运动病（Maculewicz 等，2021）。这些观察表明，让乘员能够预测即将到来的运动可以减少运动病。然而，也有报告指出，关于 500 毫秒前运动的视觉提示存在上限效应（de Winkel 等，2021）。
像“减速至停止”这样的基于语音的短语可能被认为太长，可能会干扰正在进行的 NDRTs。与非语音声音相比，理解语音需要更多的努力（Nadri 等，2021b）。用于告知加速度、减速或转向的听觉图标可能会被误认为是紧急事件，导致不必要的焦虑或恐慌（Larsson 等，2009；Sterkenburg 等，2014）。左右方向的空间化耳音可以微妙地告知即将发生的左转和右转，这遵循技能规则和知识（SRK）分类法，该分类法描述了认知功能的层次结构（Diels 和 Bos，2021；Rasmussen，1987）。经过足够的接触，这可能成为一种基于技能的行为，需要最少的认知努力和自动化行为（McIlroy 和 Stanton，2015；Vicente 和 Rasmussen，1988）。此外，用于表示方向信息的空间化耳音在接管请求中的反应时间比非空间化耳音更快（Sanghavi 等，2021）。
已有研究探讨了 NDRT 从事对运动病的影响，但对工作量和性能的考虑有限。视觉模式下的任务增加了运动病（Kim 等，2023；Kim 和 Park，2024）。观看视频和阅读书籍都比无任务情况下增加了运动病，其中阅读书籍的任务导致的运动病更严重（Isu 等，2014）。然而，在这些研究中，没有测量工作量或性能。虽然 NDRT 通常会增加运动病，但有证据表明 NDRT 引来的工作量可能会影响运动病（Metzulat 等，2025）。与静态视觉任务或听觉 n-back 任务相比，动态视觉任务引起的运动病最严重（Metzulat 等，2024）。值得注意的是，静态视觉任务的心理工作量最高，尽管它与动态视觉任务没有差异（Metzulat 等，2024）。另一项研究表明，认知要求较高的任务更容易分散注意力，从而减少运动病，并且比要求较低的任务更受欢迎（Bohrmann 等，2018）。还有研究发现，从事听觉任务可以减少自我报告的运动病症状（Bos，2015）。之前的研究还发现 NDRT 对运动病程度的增加没有显著影响（Dam 等，2024a）。此外，尚需研究 NDRT 从事所需的较低认知努力在减轻运动病方面的效果。预计由于参与者在更具挑战性的 NDRT 中可能会经历较少的运动病，他们会继续在 NDRT 中付出更多努力，从而在更具挑战性的 NDRT 中表现更好。
首先，尚未研究使用耳音或非语言音频消息（Blattner 等，1989）来提示即将到来的运动的效果。与语音相比，耳音可能对乘客正在进行的 NDRT 的干扰较小。其次，之前也没有探索用于支持信息显示不同维度的空间化提示；听觉提示本身就提示了即将到来的运动，而左右方向的空间化显示则提示了运动的方向（Dunn，1983；Grau 和 Nelson，1988）。第三，它们在代表更高自由度运动的外部有效环境中的有效性尚未得到研究。第四，需要适当工作量的基于视觉搜索的 NDRT 可以为 AV 乘员提供额外的外部有效性。本研究使用了两个难度级别的视觉搜索任务，参与者的反应是计算每分钟刷新一次的字母矩阵中出现的特定字母组合的数量，以生成新的矩阵。第五，当前的被试内设计在不同的日子进行每次实验会话，参与者总共返回四次以完成参与。这确保了之前会话的效应不会延续到后续会话中。最后，通过主观和生理指标测量运动病，以验证研究结果，因为过去关注 NDRT 的研究中尚未使用生理数据，但最近这一方法越来越受到重视（Gruden 等，2021；Maculewicz 等，2021；Kim 等，2023；Kim 和 Park，2024）。
鉴于尚未研究用于提供即将到来的运动意识的空间耳音，以及 NDRT 从事带来的认知分散作用尚未得到充分关注，本研究提出了以下假设。
假设 H1
存在基于耳音的预期听觉提示将比没有这些提示时降低运动病程度。
假设 H2
复杂的 NDRT 将比简单的 NDRT 降低运动病评分。
假设 H3
专注于复杂的 NDRT 将比简单的 NDRT 产生更多的正确反应。
实验设计
本研究采用了 2（提示存在 – 存在 vs. 不存在）× 2（NDRT 复杂度 – 简单 vs. 复杂）的全因子被试内设计。
快速运动病（FMS）评分
结果显示，提示存在或 NDRT 复杂度没有显著的主效应，但时间有显著的主效应。成对比较显示，在第 9 分钟到第 20 分钟之间，FMS 评分显著高于第 1 分钟。图 7 显示了四种条件下的平均 FMS 评分随时间的变化。表 2 显示了重复测量方差分析的结果，表 3 显示了时间后的成对比较结果。
运动病评估问卷（MSAQ）评分
MSAQ 总分没有显示出显著的主效应
讨论
本研究调查了预期听觉提示和认知分散对运动病的影响。我们假设听觉提示会降低运动病（H1），并且认知要求较高的 NDRT 会有更好的缓解效果（H2）。还假设认知要求较高的 NDRT 会有更好的表现，因为其缓解效果更好（H3）。以下小节将讨论本研究发现的假设。
局限性
本研究的主要局限性之一是使用了基于运动的模拟器，其运动范围可能有限，且样本中诱导的运动病程度相对较低。自我报告的评分可能更多地反映了总体不适，而不仅仅是运动病。未来的工作应考虑使用更真实的现实世界驾驶条件。此外，提示仅用于告知即将到来的横向加速度，而不是纵向加速度；听觉提示的设计
结论
总之，为了使预期听觉提示有效缓解运动病，必须考虑提示的时间、频率和熟悉程度。乘员必须能够在提示显示和即将到来的运动之间建立强烈的关联，作为一种内化过程，才能实现其好处。此外，无论 NDRT 引来的工作量如何，认知分散效应都可能起作用。未来的工作可以专注于使用更真实的运动情景
CRediT 作者贡献声明
Abhraneil Dam：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Myounghoon Jeon：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，正式分析，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
