[论文解读] Understanding Humans' Strategies in Maze Solving

Min Zhao, Andre G. Marquez|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2013

Neural and Behavioral Psychology Studies参考文献 6被引用 5

一句话总结

本研究揭示，人类在走迷宫时采用两种截然不同且不重叠的策略——探索与引导，通过在视觉扫描与记忆使用之间取得平衡以优化表现。眼动与鼠标追踪显示，增加探索可减少错误，尤其是在重复试验中，表明在记忆依赖与实时视觉输入之间存在战略性权衡，以最小化因返工造成的时间成本。

ABSTRACT

Navigating through a visual maze relies on the strategic use of eye movements to select and identify the route. When navigating the maze, there are trade-offs between exploring to the environment and relying on memory. This study examined strategies used to navigating through novel and familiar mazes that were viewed from above and traversed by a mouse cursor. Eye and mouse movements revealed two modes that almost never occurred concurrently: exploration and guidance. Analyses showed that people learned mazes and were able to devise and carry out complex, multi-faceted strategies that traded-off visual exploration against active motor performance. These strategies took into account available visual information, memory, confidence, the estimated cost in time for exploration, and idiosyncratic tolerance for error. Understanding the strategies humans used for maze solving is valuable for applications in cognitive neuroscience as well as in AI, robotics and human-robot interactions.

研究动机与目标

• 调查人类在走迷宫过程中如何战略性地平衡视觉探索与记忆使用。
• 研究眼动在引导运动表现及减少新颖与熟悉迷宫中错误中的作用。
• 理解学习如何影响视觉-运动任务中知觉-运动策略的发展。
• 识别人类走迷宫导航中探索（收集视觉信息）与引导（依赖记忆）之间的认知权衡。
• 通过建模人类在视觉-运动决策中的类人策略，为人工智能与机器人学提供参考。

提出的方法

• 使用Eyelink 1000以1000 Hz采样率记录眼动与鼠标运动，实验在CRT显示器上进行迷宫导航。
• 参与者连续完成60个新颖迷宫两次——第一次为训练试验，第二次为测试试验，且迷宫配置发生旋转。
• 迷宫为12×12单位网格，视场角10°，起点与终点位于对角位置，通过随机算法生成。
• 设置三组实验条件：'预期'组（已知训练路径）、'预览'组（解谜前已看到迷宫）、'无预览'组（无先前接触）。
• 数据分析聚焦于扫视频率、注视时长、路径效率、错误率以及各组间的表现差异。
• 研究采用被试内设计，共25名参与者，包括本科生与支付志愿者，均具有正常视力。

实验结果

研究问题

• RQ1 人类在走迷宫过程中如何平衡视觉探索与记忆使用？
• RQ2 先前暴露（预览或训练）在塑造走迷宫策略中起什么作用？
• RQ3 眼动与鼠标动作如何协同支持迷宫中的知觉-运动规划？
• RQ4 探索（以减少错误）与快速移动（以节省时间）之间的表现权衡是什么？
• RQ5 学习如何影响探索与引导模式之间的转换？

主要发现

• 参与者使用两种截然不同且不重叠的模式：探索（眼动扫描）与引导（基于记忆的移动），重叠极少。
• '预览'组的表现显著优于'预期'组，表明先前的视觉暴露比仅依赖记忆更能提升表现。
• 探索增加与测试试验中错误减少密切相关，尤其在旋转迷宫中，表明探索有助于长期学习与迁移。
• 尽管进行了探索，参与者仍会因选择错误路径而犯错，表明探索存在策略性局限，或存在偏向速度而非准确性的成本-收益权衡。
• 学习发生迅速——参与者在极少暴露后即可回忆并应用不同空间构型下的路径，表明记忆编码高效。
• 结果表明，人们通过在错误成本（返工）与探索成本之间权衡来优化表现，记忆使用因检索成本而达到实际极限。