[论文解读] The Effectiveness of Haptic Properties Under Cognitive Load: An Exploratory Study

Nava Haghighi, Nathalie Vladis+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2020

Tactile and Sensory Interactions参考文献 27被引用 5

一句话总结

本研究通过16名参与者参与的双任务1-back范式，调查了认知负荷对个体触觉信号特性（幅度、波形、持续时间、节奏及时空模式）有效性的影 响。结果表明，幅度造成的认知负荷最低且最受青睐，而波形和节奏造成的认知负荷最高，性能最差，为现实条件下更有效的触觉人机界面设计提供了依据。

ABSTRACT

With the rise of wearables, haptic interfaces are increasingly favored to communicate information in an ambient manner. Despite this expectation, existing guidelines are developed in studies where the participant's focus is entirely on the haptic task. In this work, we systematically study the cognitive load imposed by properties of a haptic signal. Participants wear a haptic device on their forearm, and are asked to perform a 1-back task. Each experimental condition isolates an individual property of the haptic signal (e.g., amplitude, waveform, rhythm) and participants are asked to identify the gradient of the data. We evaluate each condition across 16 participants, measuring participants' response times, error rates, and qualitative and quantitative surveys (e.g., NASA TLX). Our results indicate that gender and language differences may impact preference for some properties, that participants prefer properties that can be rapidly identified, and that amplitude imposes the lowest cognitive load.

研究动机与目标

• 探究个体触觉信号特性在认知负荷下对信息编码的影响，超越孤立的感知研究。
• 评估在双任务表现过程中，幅度、波形、持续时间、节奏及时空模式等触觉特性所带来的认知成本。
• 识别在用户精神专注时，哪些触觉特性最适用于环境化、非视觉通信。
• 通过测量表现、反应时间、错误率及主观工作量（如NASA-TLX）来制定触觉设计指南。

提出的方法

• 参与者在执行1-back任务的同时，依次单独识别由一种触觉特性编码的触觉信号。
• 通过前臂上的触觉装置，以五种不同特性传递信号：幅度、波形、持续时间、节奏及时空模式。
• 通过1-back任务的反应时间和错误率衡量认知负荷，同时记录触觉任务的表现。
• 使用NASA-TLX问卷评估主观工作量，并在实验后收集定性反馈。
• 每位参与者以随机顺序完成所有五个条件，以控制学习效应。
• 统计分析比较了不同条件下的表现与偏好，并按性别和语言进行子组分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双任务表现中，哪种触觉特性造成的认知负荷最低？
• RQ2 性别与母语如何影响在认知负荷下对触觉信号解读的偏好与表现？
• RQ3 当用户精神专注时，哪些触觉特性最有效用于信息编码？
• RQ4 主观工作量评分（如NASA-TLX）与不同触觉特性下的客观表现指标之间有何相关性？

主要发现

• 幅度造成的认知负荷最低，在1-back任务与触觉任务中均表现最佳，且参与者偏好最高。
• 持续时间在有效性上排名第二，男性及以英语为母语的群体更偏好，但与幅度无显著差异。
• 波形与节奏造成的认知负荷最高，其中节奏表现最差，错误率最高。
• 波形在NASA-TLX中被评定为心理需求最高，且是参与者最不偏好的特性。
• 女性及非英语母语参与者报告了更长的反应时间与更高的NASA-TLX压力评分，表明认知负荷增加。
• 参与者偏好能够快速识别的特性，表明感知速度是触觉信号设计中的关键因素。