触觉生物信号影响虚拟现实代理人的邻近空间

研究背景与问题

• 作者发现了哪些问题或挑战？

  • 在虚拟现实 (VR) 与虚拟代理交互中，目前缺乏人类接触的触觉感官维度。尽管数字化生物信号通讯可以在虚拟社交中起到中介作用，但尚不清楚人工触觉生物信号如何影响用户在虚拟现实中的空间距离。
  • 现有关于亲近行为（proxemics）和感官反馈的研究主要在现实或增强现实环境中开展，很少探讨触觉反馈对虚拟空间中亲近行为的影响。

• 为什么这个问题很重要？

  • 在虚拟社交环境中，空间距离具有重要意义，因为它影响个体的舒适度、情感联系和社交互动的质量。
  • 理解触觉反馈如何影响个体的亲近行为可以增强虚拟现实中的沉浸感和社交体验，同时提高虚拟代理的设计实用性。

• 研究动机与相关工作

  • VR 社会化系统的广泛使用使得需要进一步探讨非语言信号对亲近行为的影响，尤其是触觉信号的作用。
  • 研究借鉴了人际情感触觉的设计理念，例如心跳振动（vibrotactile heartbeats）和热反射（thermal feedback），这些信号在现实中与情感和舒适度有关联。

解决方案

• 作者提出了哪些方法或解决方案？

  • 作者设计了两种模拟虚拟代理生物信号的触觉反馈模式：振动心跳反馈和热感体温反馈。这两种模式旨在模拟虚拟代理的生理特性，以观察用户对其的空间反应。
  • 本研究通过一项带有 31 名参与者的实验，探讨了触觉反馈和代理故事情节的多因素影响。

• 该解决方案的创新之处是什么？

  • 引入了“触觉生物信号亲近行为”(haptic biosignal proxemics) 的新概念，将非视觉生物信号与虚拟代理交互联系起来。
  • 探讨了结合振动和热觉的多模态触觉信号如何影响用户的亲近行为与沉浸感，从而推动了体感交互设计的创新。
  • 研究场景设计基于 Hall 定义的亲近行为四个空间区域（公共 zone、社交 zone、个人 zone、亲密 zone），并动态反馈用户的空间位置。

• 实施步骤是什么？使用了哪些关键技术？

  1. 实验设计： 引入了两种独立变量（触觉反馈：None、Thermal、Vibrotactile、Thermal+Vibration；代理故事情节：负面、中性、正面），采用了拉丁方设计以平衡实验条件。
  2. 硬件：
     • 振动模式使用了 Oculus Touch 控制器的振动组件，以模拟代理的心跳信号。
     • 热觉模式采用 Peltier 元件传递不同区间的体温感受。
  3. 虚拟环境： 创建了森林场景和标准化虚拟代理，加入基于 GPT-3 和文本到语音转换技术生成的动态语音故事。
  4. 测量方法： 包括客观距离（Objective interpersonal distance），主观距离感知（Subjective distance ratings），自感唤醒水平（Perceived arousal），每次试验后的舒适度评分等。
  5. 数据采集与分析： 使用混合线性效应模型分析触觉反馈和故事情节之间的交互效应。

研究成果

• 取得了哪些具体成果？

  • 热觉反馈减少了实际的空间距离（客观距离），但并未显著影响主观距离；而振动反馈同时增加了主观和客观距离。
  • 振动心跳信号提高了唤醒水平（arousal），但降低了舒适度；热反馈没有显著增加不适感。
  • 虽然触觉反馈条件没有显著影响实验中沉浸感评分，但触觉信号被发现对个体的身体感知有重要影响，会引发对身体内外分离的体验。

• 与现有解决方案相比，它有哪些优势？

  • 本研究首次将触觉生物信号整合进虚拟现实空间中的亲近行为研究中，相较于以往的单模态研究（如视觉或听觉），更关注触觉作为非语言行为的潜力。
  • 多模式的反馈设计（热觉与振动同时使用）提供了关于如何实现更自然和多元的交互信号的实用见解。

• 实验或评估结果是什么？

  • 参与者普遍保持在“社交区间”，不愿靠近虚拟代理进入“个人”或“亲密”区域。
  • 某些参与者认为生物信号使虚拟代理更“有生命感”，但同时也有部分参与者感受到类似“恐怖谷效应”的不适。
  • 定性数据揭示了触觉信号的模糊性和多种解释方式，这可能进一步影响用户体验的设计。

• 局限性与未来方向

  • 局限性：
    1. 模拟信号的生理真实性有限，未来研究可使用实时获取的生物数据。
    2. 实验未考虑更多影响因子（如用户文化背景、年龄、性别等）。
    3. 某些参与者对热觉刺激的敏感性个体差异较大，导致体验不一致性。
  • 未来方向：
    • 考虑个性化的触觉反馈校准以适应不同用户的热觉敏感性。
    • 探索实际人类用户而非代理的社交互动中的触觉信号应用。
    • 全面研究其他模式的生物信号（如皮肤电导或实时心率）在 VR 环境中的应用潜力。
    • 进一步分析多代理或人群对身体感知及亲近行为的综合影响。

通过探索触觉反馈技术在虚拟代理中的应用，本研究为在虚拟现实中设计具生命感的社交交互提供了宝贵的理论基础和设计指南，同时也提出了与之相关的伦理和技术挑战。