Outfoxed：一种用于动物园动物认知丰富化的模块化互动谜题的设计与评估

文献标题

Outfoxed: Design and Evaluation of a Modular Interactive Puzzle for Cognitive Enrichment of Zoo Animals

出版信息

• 主题领域: 动物园动物认知丰富技术
• 关键词: 动物园丰富化、北极狐、模块化益智喂食器、多感官反馈、动物福利、行为多样性、栖息地利用、动物-计算机交互（ACI）、人机交互（HCI）、动物园访客参与

背景与问题

• 问题/挑战: 现有动物园动物益智喂食器通常缺乏适应性，需要频繁的人为干预，且难以维持长期的认知参与。这些设备很少结合与动物感官优势相匹配的多感官元素。
• 重要性: 认知丰富对于动物园饲养的动物至关重要，可防止不活动和异常行为，并促进福利。能够增强自主性和行为多样性的丰富系统可以改善动物福祉并提升访客的同理心。
• 动机与相关工作: 先前关于动物园丰富化和动物-计算机交互（ACI）的研究探索了益智喂食器和互动技术，但通常面临如习惯化、感官整合有限以及手动重置等挑战。本研究基于这些基础，旨在通过模块化、多感官系统解决持续参与和适应性问题。

解决方案

• 提出的方法: 设计一种模块化自适应益智喂食器，旨在促进动物自主性、独立性和多感官参与，具有渐进式难度等级并减少人为干预。
• 创新点:
  1. 开发具有可调难度和多感官反馈的模块化益智系统。
  2. 整合人机交互（HCI）和动物行为学评估方法，从整体上评估丰富化效果。
  3. 实证展示北极狐的持续参与和行为多样性。
  4. 包括动物园工作人员和访客视角的多利益相关方分析。
• 过程与关键技术:
  • 设计一个半自动化益智喂食器，配备可互换组件以实现不同难度。
  • 在北极狐（Vulpes lagopus）上部署五次实验，逐步增加益智复杂性。
  • 使用行为编码法、空间映射和多感官参与指标进行评估。
  • 通过访客和动物园工作人员的调查及观察数据评估人类对系统的感知和操作可行性。

结果

• 具体发现:
  • 在实验期间持续参与，每次实验平均46.5%的时间用于与益智喂食器互动。
  • 行为多样性增加148%，Shannon熵指数从基线的0.49上升至部署期间的1.27。
  • 栖息地利用率扩大218.4%，部署期间空间使用更广泛。
  • 访客参与时间在部署期间翻倍（基线中位数38秒 vs. 部署中位数79.5秒，p < 0.001）。
• 相较基线的优势:
  • 休息行为减少76.51%，被主动参与、移动和探索行为所取代。
  • 渐进式益智难度维持兴趣并促使适应性问题解决策略。
• 实验/评估:
  • 共十次实验：五次基线实验和五次部署实验，研究对象为北极狐，并辅以对南美浣熊的试点测试。
  • 评估指标包括行为编码、空间热图、多感官反应时间以及人类调查。
• 局限性与未来工作:
  • 单一物种研究限制了普适性，需要进一步跨物种测试。
  • “巫师操作”模拟了自动化控制，未来版本应测试完全自主系统。
  • 长期效果和新颖性影响需通过延长部署研究进行评估。

总结

本研究提出了一种模块化、自适应的益智喂食器，旨在增强动物园动物的认知丰富化。北极狐的实验部署显示了持续参与、行为多样性增加和栖息地利用扩展，同时访客同理心和饲养员工作流程也有所改善。该系统的模块化设计支持跨物种个性化，其多感官设计与动物感官优势相匹配。研究结果表明，互动丰富化技术能够同时促进动物福祉、访客教育和操作可行性，为多物种背景下的HCI和ACI研究做出了贡献。