经过编码的加速度振动是否有助于缓解乘客的晕动症？在颠簸行驶（如停车再启动）的乘客出行中的研究

《Applied Ergonomics》：Can acceleration-coded vibrations help alleviate passenger motion sickness? Investigation in stop-and-go passenger rides

本研究评估了触觉运动提示在缓解电动车辆停止-启动行程中的晕动症效果。基于神经错配理论，通过座椅靠背振动信号传递加速度信息，但实验未发现振动提示对症状缓解有显著影响，用户接受度成为关键因素。研究揭示了环境温度、驾驶风格及个体体质对晕动症的影响。

　　随着车辆自动化程度的提高，晕动症在道路运输中的发生率预计会增加。这项研究旨在评估触觉运动提示作为缓解晕动症的干预措施的有效性。研究采用了一种在电动车辆中进行的停顿与行驶实验，通过座椅背靠产生的振动触觉提示进行干预。该方法基于神经不匹配理论，假设通过提供与车辆运动力一致的体感信息，有助于恢复感官协调性，从而减轻晕动症症状。

在一项被试内设计中，24名参与者经历了大约18分钟的实验（6圈）。前三个圈用于诱发晕动症，参与者在没有视野的情况下玩视频游戏。后三个圈则应用了缓解晕动症的方法：参与者停止游戏并注视车辆周围环境，以缓解症状，可以选择是否使用振动触觉提示。分析结果显示，振动触觉提示对症状缓解没有显著影响。参与者反馈强调了用户接受度作为触觉干预有效性的关键因素。这些结果有助于更好地理解触觉提示的作用，并为设计支持晕动症缓解的运动提示系统提供参考。

晕动症影响了三分之一的道路车辆使用者。与乘客不同，驾驶员通常对晕动症具有较强的抵抗力。然而，随着自动驾驶汽车的出现，驾驶员被迫成为乘客，这增加了晕动症的风险。此外，最新的汽车仪表盘创新鼓励乘客在驾驶过程中进行非驾驶相关活动，如阅读、社交网络、游戏或看电影，这些活动可能通过动态视觉界面遮挡道路视野，从而加剧晕动症的发生和严重程度。这一发展引发了汽车行业的担忧，因为晕动症的发生和严重程度可能会影响用户对无人驾驶汽车的接受度。因此，研究的重点逐渐转向开发预防、检测和缓解晕动症的解决方案。

晕动症被描述为一系列症状，包括苍白、头晕、嗜睡或头痛，甚至严重的恶心或呕吐，这些是自主神经系统对明显运动的反应。尽管晕动症较为常见，但其病因仍存在争议。一些理论探讨了晕动症发生和发展的前兆模式和神经机制。近年来，两种理论获得了较多认可：神经不匹配理论和姿势不稳定性理论。前者认为，晕动症源于大脑中的不匹配现象：中枢神经系统通过整合视觉、前庭和体感信息来估计自身运动状态，但若这些信息不一致或之前未经历类似的运动环境，估计可能不准确。这种预期与实际运动力的差异会导致神经不匹配，若持续存在，可能超过个体的耐受阈值，从而引发晕动症症状，直至适应。当运动环境变得熟悉时，神经不匹配的可能性会降低。

后者则提出了一种生态关系：在不稳定环境中，如行驶中的汽车，车辆的惯性加速度会引发不平衡状态。为了恢复稳定的平衡，身体需要进行姿势调整作为自然补偿机制。姿势不稳定性理论认为，这种姿势活动的增加可能是晕动症的前兆。

在道路车辆中，晕动症主要由水平加速度引起，如转弯、刹车和加速。这些加速度会产生惯性力，导致身体处于不稳定状态，同时中枢神经系统接收的信息不足，难以准确估计加速度。水平加速度可以通过前庭系统和体感模态（如皮肤、关节、四肢和肌腱）感知。然而，在汽车中，乘客的身体通常保持静止，与任何体感输入隔离。因此，只有前庭系统的耳石部分能够感知线性加速度。这种体感输入的局限性可能导致中枢神经系统无法准确估计运动环境，从而产生感官不匹配，进而引发晕动症。

通过传输基于力、温度或神经的信息，触觉信号可以刺激身体的体感受体。这一特性可用于将与运动环境相关的信息转化为清晰、可感知的信号传递给大脑。因此，“触觉运动提示”策略，即将运动环境信息以触觉信号的形式传递，对增强乘客对水平加速度的感知具有特别意义。触觉提示可以是前瞻性，以增强对驾驶事件的预期，或实时响应驾驶事件（如加速度编码）以提高运动的显著性。

最近的实验表明，向乘客传递前瞻性触觉信号可以有效减轻晕动症的发展过程。例如，在一项实验中，使用前瞻性振动提示的乘客在17分钟的实验中，晕动症症状减少了30%；而在另一项实验中，22分钟的实验中，症状减少了40%。这些结果表明，前瞻性触觉提示在减轻晕动症方面具有潜力。然而，目前尚不清楚这些益处是否来自于振动信号本身、学习效应还是两者之间的相互作用。此外，前瞻性触觉提示的应用仅限于能够准确预测未来运动力的高自动化车辆。

研究假设，通过生成与加速度相关的振动触觉提示作为体感信息，可以支持多感官整合，帮助中枢神经系统更准确地估计自身运动，特别是在视觉恢复并匹配前庭信息的缓解阶段。因此，本研究的目标是评估这些振动触觉提示是否有助于道路运输中晕动症的缓解。研究方法基于Reason的神经不匹配理论，该理论认为晕动症源于对自身运动和方向的估计与实际感知之间的不匹配。通过与视觉和前庭信息一致的振动提示，可以促进感官协调，从而有助于缓解症状。尽管增强其他感官通道理论上可能有助于缓解，但本研究专注于振动提示，因为它们可以在不改变视觉或前庭环境的情况下被外部操控。

实验设计旨在复制一个真实的电动车辆中停顿与行驶的体验。在这种情况下，乘客通常不会主动采取缓解措施，而是在症状出现后才可能进行。因此，干预措施在缓解阶段引入，反映了典型的乘客行为：在症状出现后停止任务并重新定向视线。这种设计使我们能够评估振动提示是否在这一过渡阶段支持感官整合。

研究共招募了24名参与者（4名女性，20名男性；平均年龄39岁，标准差12岁）。根据G*Power计算，考虑到效应量f=0.4（平均值提升10%，人口标准差25%），需要至少20名参与者进行方差分析（ANOVA）。排除了有心血管或胃肠道疾病、平衡障碍、神经系统疾病或怀孕的个体。参与者被分为两组，分别在不同的时间进行实验，以减少顺序效应。在实验开始前，参与者被告知研究的目的和相关风险。实验于2024年10月至12月进行，每名参与者在两个不同日期完成实验，每次实验持续1小时，尽量安排在相似的时间段。实验过程中，两名男性参与者因严重症状退出。

实验使用了一辆四轮驱动的插电式混合动力轿车（2023年梅赛德斯-奔驰E 400e）作为实验车辆。所有实验均在纯电动车模式下进行，以提高舒适度并避免内燃机的振动作为运动提示。车内仪表盘显示加速和再生制动的功率（单位为千瓦），用于记录驾驶员的驾驶行为。嵌入式测量材料通过230V直流电压变压器（PI 1000-12，Voltcraft）供电。

加速度相关的触觉提示通过以下原型生成：通过便携式笔记本电脑连接CAN接口（VN1630A，Vector）和内部软件，实时处理嵌入式控制单元的加速度数据。通过HTML代码生成的音频信号被发送到一个12瓦的音频放大器（M032S，KEMO），连接到车辆座椅背靠中的子低音扬声器。该子低音扬声器是车辆原装设备，被称为“4D声音激发器”（Burmester）。

为了确保实验中车辆的运动模式一致，使用“Phyphox”应用程序（版本1.1.16，RWTH Aachen）在智能手机（iPhone XS，Apple）上实时记录车辆的位置、速度、加速度和旋转。该智能手机平放在车辆的中控台，并固定不动。

生理参数通过耳内医疗设备“c-med° alpha”（Cosinuss，2022）记录，该设备有三种尺寸（S/M/L）。设备通过蓝牙5.0连接到智能手机（iPhone 11，Apple）。该设备在右外耳道进行连续测量，使用光体积描记法和脉搏血氧测定。脉搏率、外周血氧饱和度和灌注指数以1Hz的频率测量，同时通过鼓膜测温测量核心体温，以0.1Hz的频率记录。设备还生成一个“质量指数”信号，表示测量质量（范围从0（非常差）到100（非常好））。

参与者头部运动通过四个球形反射目标（OptiTrack）进行记录，这些目标放置在参与者的面部上，使用双面胶带和双镜头相机（OptiTrack V120:Duo）固定在挡风玻璃底部的支撑结构上，位于乘客座椅正中心。头部旋转在俯仰（x轴—颈部屈伸）、偏航（y轴—颈部旋转）和滚动（z轴—颈部侧弯）方向进行测量。

参与者填写了多项问卷，包括“参与者问卷”，收集年龄、性别和通勤环境（城市或乡村）等个体特征数据。此外，参与者还填写了4或5点利克特量表，评估他们的旅行习惯，包括作为乘客的乘车频率、公共交通使用频率、愿意进行非驾驶相关活动（NDRAs）的程度以及自我评估的驾驶激进程度。问卷还包括MSSQ-Short，用于评估个体对晕动症的敏感度。

在每次实验前，参与者填写了预实验问卷，使用4点利克特量表（1=非常差，4=非常好）评估他们的自我估计健康状况和清醒程度。他们还报告了过去6小时内摄入的咖啡量（毫升）和过去24小时内摄入的酒精量（毫升）。

在实验过程中，使用“快速晕动症”（FMS）量表评估晕动症的严重程度，该量表的范围从0（无症状）到20（非常严重的症状）。如果参与者达到15以上的FMS截断值，实验将立即终止。

“后实验问卷”包括运动晕动症评估问卷（MSAQ）和关于实验过程中不适因素的问题。MSAQ包括16个问题，每个问题对应四种症状子维度：胃肠、中枢、外周或嗜睡相关。参与者使用9点利克特量表（1为“完全不”和9为“非常强”）对每个问题进行评分。后实验问卷还包含5点利克特量表（1为“完全不”和5为“非常强”），用于评估特定车辆操作的诱发性（如刹车、加速、转弯和上坡）以及车内温度和驾驶风格的舒适度。当参与者测试振动条件时，后实验问卷还包括一个补充的5点利克特量表，评估振动提示的整体评价、可用性、强度、声音和时间安排。

所有问卷均根据Bohrmann（2022）的附录翻译成德语版本。

实验过程中，参与者被要求在开始实验和经过特定测试点时口头报告FMS评分。实验期间，车内温度保持在22.0°C，使用车辆的自动空调系统。实验包括一系列重复的前后加速度，主要集中在0.1-0.2Hz的频率域，同时尽量减少横向和垂直惯性力。同一驾驶员（WE）执行了所有实验驾驶操作，以确保一致性。实验共进行了6个相同的3分钟圈，每次实验由两名实验员监控，并记录实时测量数据流。

在诱导阶段，参与者被限制仅专注于膝上的平板电脑（iPad 10"，Apple）上的视频游戏（2048，Cirulli，2014），避免任何注视车辆周围环境。该游戏具有中性、稳定的图形和较低的情感参与，确保了对驾驶情境的分散注意力，而不会引发情感反应。这一过程在所有实验条件下相同。

在缓解阶段，参与者停止游戏，可以自由注视周围环境。这一过程旨在通过重新引入外部视觉输入来减轻晕动症的严重程度。在振动条件中，加速度相关的振动提示在第三圈开始时被主实验员（WE）在参与者不知情的情况下启动，并持续到实验结束。

统计分析使用R Studio（Posit，版本4.3.3）进行，预设显著性水平为p<.05。诱导和缓解阶段的FMS评分通过广义线性模型（GLMs）进行建模，假设泊松分布。固定效应包括个体特征和生理测量。为了评估缓解阶段的振动效果，计算了FMS评分的变化，相对于两个条件的第9分钟的FMS评分，该时间标记了诱导阶段的结束和缓解阶段的开始。这些评分变化（每分钟的偏离值）通过广义线性混合模型（GLMM）分析，固定效应为条件（控制 vs. 振动）和时间（缓解阶段的9次测量），随机效应为个体层面的截距。同条件下的时间变化也通过Wilcoxon符号秩检验进行测试。确认符合正态分布的生理参数通过配对t检验进行比较。所有双变量关联使用Spearman相关分析。信号质量指数低于40的数据被排除。

结果显示，诱导阶段的35次实验中，获得了稳定的车辆运动数据。根据ISO 2631-1数值模型，这些实验生成了一致的晕动症剂量值（MSDV），平均值为18.6 m s?1.5，标准差为1.2 m s?1.5。这一值在不同条件下没有显著差异（p=0.94）。车辆运动在前后方向上特别具有诱发性（MSDVx：平均值17.8 m s?1.5，标准差1.2 m s?1.5），与其他方向（MSDVy：平均值5.0 m s?1.5，标准差0.5 m s?1.5；MSDVz：平均值1.8 m s?1.5，标准差0.1 m s?1.5）相比，显得更为显著。

根据个体评分，前后加速度在41.3%的实验中被认为具有诱发性（19个负面回答）。在上坡部分，诱发性为30.4%（14个回答），但收到了最多的“非常诱发性”评论（8次实验，17.4%）。刹车操作被认为诱发性为23.9%（11个负面回答）。尽管加速度幅度较低，横向加速度在19.6%的实验中被认为具有负面效果（9个回答）。

在缓解阶段，实验结果显示，FMS评分的变化与条件无关（p=0.85），但与时间显著相关（F(9, 399)=11.94，p<0.001，η2=0.21）。然而，条件（控制 vs. 振动）对FMS评分的变化没有显著影响。在缓解阶段，个体变化与时间相关，通过Wilcoxon测试确认。生理参数方面，核心体温的下降与FMS评分的增加存在关系（p=0.003），表明晕动症与体温下降之间可能存在联系。然而，FMS评分与头部运动的均方根旋转和角速度之间没有显著关系。

关于振动提示的主观评价，所有参与者都参与了评估，包括两位提前终止实验的参与者。11名参与者（1名女性，10名男性）对振动提示持积极态度，其中10名（1名女性，9名男性）表示如果振动提示被证明有效，他们愿意使用它来缓解晕动症症状。样本涵盖了晕动症敏感性的整个范围，MSSQ评分从1.0（第5百分位）到30.9（第95百分位）。

对于振动提示的负面评论包括“我不喜欢这些振动”、“令人烦恼”、“它们让我胃部不适”。一些评论指出，这样的振动反馈不适合像本研究中使用的高端车辆，因为参与者对“安静和舒适的”驾驶体验有较高期望。因此，使用振动座椅作为晕动症缓解措施可能在较为简陋的车辆中更容易获得用户的接受。

尽管振动提示收到了更多正面评价，但参与者可能受到验证偏见的影响，因为他们知道研究旨在调查晕动症缓解措施。此外，在评估振动强度、声音和时间的问卷项目中，存在清晰度偏见，许多参与者在没有负面反馈的情况下选择了中性评分（3）。因此，问卷结果应基于负面和正面回答的比例进行解读，未来的研究可以通过强制选择题或定性反馈来减少歧义。

一些参与者表示，如果知道振动提示有效，他们愿意使用它。这些观察表明，这种触觉提示的有效性可能在心理动机下更明显，可能与安慰剂效应有关。明确告知振动提示作为晕动症缓解措施，可以提高其接受度。Reuten等人（2023）的研究也显示，四分之三的易感参与者如果系统被证明有效，愿意在车内使用振动提示来缓解晕动症。否则，暴露于不期望的振动可能成为烦恼的来源。因此，需要实施透明且易于理解的晕动症缓解系统。

另一个有趣的观察是，参与者表示，他们不会接受在高端车辆中使用的振动刺激，因为这些车辆对“安静和舒适的”驾驶体验有更高的标准。因此，使用振动座椅作为晕动症缓解措施可能在较为简陋的车辆中更容易获得用户的接受。

研究结果表明，用户接受度应在设计高效的触觉提示系统时优先考虑，重点在于清晰度和舒适性。车辆用户应有选择开启或关闭触觉提示以及了解其目的的选项。此外，他们还应能够根据个人偏好调整振动的强度和位置。考虑到这些因素，可以增强感知的控制感，这是乘客相比驾驶员较低的因素，且已知会影响晕动症的易感性。振动提示的位置可能在效果中起关键作用。以往的研究通常报告在前庭系统周围或涉及人体运动的部位（如臀部、大腿或脚部）应用振动提示的积极结果。然而，在手腕（Yusof等人，2020）或背部（本研究）应用的振动提示则被认为不够直观，未能显著缓解晕动症。这些发现表明，振动刺激的位置应与自然的感官处理机制一致，同时频率和强度应仔细校准，以在舒适性和可感知性之间取得平衡，同时避免过度暴露导致肌肉骨骼负担。

研究还发现，个体特征如性别、身体状况和清醒程度对晕动症的缓解有显著影响。年龄和对驾驶风格的满意度对缓解阶段的晕动症缓解有显著影响。此外，外部温度与晕动症严重程度密切相关，而车内温度舒适度与晕动症严重程度之间的关系不显著。在诱导阶段，核心体温的下降与晕动症严重程度的增加存在关系，支持了晕动症与体温下降的关联。寒冷的外部温度与晕动症严重程度的正相关可能与参与者穿着更厚的衣服有关，或者是因为车内与外界温度的差异较大，从而产生温暖感。

在缓解阶段，FMS评分的变化与多个变量有关，包括性别、身体状况和清醒程度。男性参与者、身体状况较差和清醒程度较高的参与者更快速地缓解晕动症症状。对车内温度和驾驶风格的舒适度也有助于缓解晕动症。这些上下文变量的重要性表明，需要通过控制车内环境来应对晕动症缓解措施。这些发现与一些调查结果一致，这些调查显示驾驶风格和车内环境对晕动症的影响（Metzulat等人，2025；Schmidt等人，2020；Turner和Griffin，1999b）。一种不符合用户需求的驾驶风格可能显得不自然，进一步限制对操作的预期，而不舒服的温度可能产生厌恶心理效应，加剧与晕动症相关的体温下降。

尽管研究中测量的生理参数与晕动症严重程度之间没有显著关系，但缓解阶段头部滚动运动的影响表明，稳定头部有助于缓解症状。这些发现与Wada等人（2012）的研究相呼应，而头部滚动速度的影响可能与个体感知有关：低速度和较长持续时间的头部滚动可能在低频范围内进行，中枢神经系统可能难以区分旋转和位移，从而导致运动感知的冲突状态。这一假设应在进一步的实验中进行广泛验证。

研究的局限性之一是实验中停顿与行驶的短时间（少于20分钟），这导致大多数参与者仅出现中度至轻度的晕动症症状。尽管使用了非驾驶相关活动和诱发驾驶风格，诱导阶段可能未能有效引发更严重的症状。这可能解释了没有显著效果的原因，因为以往报告显著效果的研究通常涉及更敏感的参与者，其FMS评分达到10分以上（Kehl等人，2024）。然而，驾驶场景的设计旨在平衡生态效度、参与者安全和依从性。

在缓解阶段开始时，不同条件下的FMS评分存在差异，需要将其转换为基线值进行比较。这种做法假设两种条件的起始严重程度相同，但可能并不完全准确，从而引入分析不确定性。此外，参与者在缓解阶段被允许向前看，以模拟真实的恢复情境。虽然这是必要的，但可能作为一种强大的缓解措施，掩盖了振动干预的额外效果。

研究中参与者的晕动症敏感性分布广泛，这反映了在选择实验场景时的权衡：要么选择诱发轻微晕动症但减少退出率的场景，要么选择诱发更严重的晕动症但面临更多退出的风险。因此，未来的研究应限制纳入标准，仅包括晕动症敏感的参与者，以提高检测干预效果的可能性。

另一个限制是样本特征。参与者基于晕动症敏感性招募，但样本中男性和中年个体的比例偏高，这主要源于在汽车公司内部的招募。因此，任何关于性别或年龄相关效应的分析都应谨慎解读。

使用侵入式测量设备，如耳内传感器或面部放置的运动捕捉目标，也存在限制。这些设备可能影响个体的舒适度，并通过心理效应无意中加剧症状。将相机固定在挡风玻璃上也可能影响向前视野，而向前视野在晕动症缓解中具有重要作用。因此，这种遮挡可能影响症状的严重程度。