配对EMS：通过刺激拮抗肌对来增强基于电肌肉刺激（EMS）的力反馈体验

文献标题

Paired-EMS: Enhancing Electrical Muscle Stimulation (EMS)-based Force Feedback Experience by Stimulating Both Muscles in Antagonistic Pairs

文献信息

• 主题领域: HCI（人机交互）中的触觉反馈与虚拟现实体验增强
• 关键词: 电刺激肌肉 (EMS)、触觉反馈、虚拟现实、力量反馈、用户体验、对抗肌群、可穿戴设备、感知真实感、实验设计

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战:

  • 现有的基于电刺激肌肉 (EMS) 的触觉反馈技术通常刺激与用户主动收缩的肌肉对立的“对抗肌肉”，以模拟外力。这导致肌肉不自然的收缩，产生的触觉感受与真实世界存在显著差异。
  • 使用现有 EMS 技术时可能造成用户体验的失衡感和不和谐感，尤其在涉及高强度反馈（如拳击、剑斗）中。

• 重要性:

  • 对于虚拟现实 (VR) 应用，尤其在模拟外部力量如拳击或推墙时，触觉反馈在增强沉浸感和用户参与度方面至关重要。当前技术的物理不一致性损害了沉浸式体验。

• 研究动机与相关工作:

  • EMS 技术已广泛用于 VR 触觉反馈场景，包括模拟冲击力（拳击、剑斗）、重量（举起虚拟物体）、反作用力（推物体）等。然而，这些技术只刺激对抗肌群，会导致违背用户预期的体验。
  • 作者提出了一种基于同时刺激“主动肌群”和“对抗肌群”的方法，称为 Paired-EMS（配对-EMS），以减少体验的不协调感，增强仿真效果。

解决方案

• 提出的方法或解决方案:

  • 提出了一种新型 EMS 方法——Paired-EMS，突破现有技术仅刺激对抗肌群的限制，通过对主动肌群与对抗肌群进行同时刺激，提升 VR 中力反馈的真实感与和谐感。

• 创新之处:

  • 引入主动肌肉的刺激，与仅刺激对抗肌肉的传统 EMS 技术形成对比。
  • 在力反馈的设计中着眼于提高感觉的平衡性，从而改善用户体验的整体和谐感。
  • 在设计实验时区分 两类肌肉动作（等长动作和等张动作），并分析不同情境下的用户偏好。

• 实施步骤及关键技术:

  1. 用户偏好研究:
     • 进行小型预试验（n=8）以校准肌肉刺激的强度。
     • 根据实验结果调整强度水平（可接受的最小、中等和最高强度）。
  2. 研究平台与设备:
     • 使用 FDA 认证的 EMS 设备（iSTIM EV-805）结合 VR 头显（HTC Vive Pro 2）来进行实验。
     • 在肌肉区域附加电极并结合振动反馈装置（如 bHaptics Tactosy，用于减少 EMS 刺激引起的刺痛感）。
  3. 主实验与用户体验评估:
     • 在拳击情景中测试 Paired-EMS 与传统 EMS 的比较性能（n=32）。
     • 测试包括等长动作（阻挡拳击）和等张动作（出拳）的力量反馈体验差异，并采集用户对真实感、和谐感、娱乐性、舒适度等维度的主观评价。

研究成果

• 具体成果:

  • 与传统 EMS 相比，Paired-EMS 显著提升了以下四个用户体验指标：
    • 真实感: 提高抵抗外部力量的感知一致性。
    • 和谐感: 显著减少触觉反馈的不自然感。
    • 娱乐性: 提供更生动的交互体验。
    • 总体偏好: 78% 的参与者偏好使用 Paired-EMS。
  • 在舒适度方面，Paired-EMS 与传统方法表现相似。

• 相对于现有解决方案的优势:

  • 提供更接近真实的触觉体验，特别是在对抗性强的场景（如拳击和射击游戏）中。
  • 同时刺激两组肌肉的设计不仅提升了触觉反馈的沉浸感，而且提高了对高强度反馈场景的适应能力。

• 实验与评估结果:

  • 经过用户评估，Paired-EMS 在不同动作类型（等长和等张动作）和触觉设备设置（基于电磁和振动的反馈）中均表现出显著改进：
    • 真实感、娱乐性与整体偏好均获得了显著性提升（p<0.01）。
    • 虽然 Paired-EMS 的舒适性评分略低，但其真实感上的优势吸引了大部分用户优先选择该方法。

• 局限性与未来方向:

  • 局限性:
    • Paired-EMS 增加了用户校准时间（需要同时调整多个肌肉对的刺激强度）。
    • 某些用户在长时间高强度使用时可能会感受到轻微的不适。
  • 未来方向:
    • 探索进一步改善舒适度并扩大刺激覆盖范围（如前三角肌或上斜方肌），以增强逼真度。
    • 开发自动化校准方法结合磁性肌肉刺激技术，减少手工设置复杂度，提高易用性。
    • 针对不同游戏类型（如剑斗、射击）的触觉反馈优化，使其更广泛适用于其他 VR 互动场景。