非对称振动诱导的虚幻扭矩线索在老年人群中的感知差异研究

《IEEE Transactions on Haptics》：Age-Related Impact in Illusory Torque Cues Induced by Asymmetric Vibrations

本研究针对非对称振动诱导的虚幻拉力感知机制尚不明确的问题，通过比较年轻与老年人群的振动阈值与虚幻扭矩线索方向辨别能力，揭示了年龄与性别对虚幻感知的交互影响。结果表明，老年女性对虚幻扭矩线索的敏感性显著降低，且振动阈值与虚幻感知相关性微弱，提示中枢神经处理机制可能比外周机械感受器在虚幻产生中发挥更关键作用。该发现为阐明虚幻感知机制及开发适老化触觉界面提供了新视角。

　　

当你的指尖握住一个振动设备时，如果施加特定模式的不对称振动，会产生一种奇妙的“被拉动”的错觉，仿佛有一股无形的力在牵引你的手部移动或旋转。这种被称为“虚幻拉力线索”（illusory pulling cues）的现象，近年来在触觉人机交互领域引起了广泛关注，并被尝试应用于力反馈、盲人导航、技能训练和康复治疗等多个场景。然而，尽管研究者们提出了多种假说，这种错觉产生的精确神经机制至今仍是一个未解之谜。一些研究认为，皮肤变形被指尖的机械感受器（mechanoreceptors）所探测是关键；而近期的脑科学研究则指出，大脑顶叶联合皮层（parietal association cortex）的空间处理功能可能扮演了更重要的角色。

为了间接探究机械感受器在此幻觉中的作用，研究人员巧妙地将目光投向了与年龄增长相伴的皮肤感觉敏感性下降这一普遍现象。众所周知，随着年龄增长，负责检测高频振动的触觉小体（如迈斯纳小体和环层小体）数量会减少，导致对振动的感知阈值升高。那么，一个自然而然的问题是：如果虚幻拉力线索的感知真的依赖于这些外周机械感受器，那么老年人的幻觉敏感性是否也会随之降低呢？由Takeshi Tanabe等人发表在《IEEE Transactions on Haptics》上的研究，正是为了回答这一问题而展开。

为了回答上述问题，研究人员招募了40名参与者，包括20名年轻人（平均23.2岁）和20名老年人（平均70.2岁），男女各半。研究主要采用了两项关键的心理物理学测量方法：首先是测量参与者在40、75、150和300赫兹四个频率下的绝对振动阈值；其次是评估参与者对由非对称振动诱导的虚幻扭矩线索进行方向辨别的正确率。实验中使用了一个包含两个音圈型致动器（voice-coil type actuators）的振动装置，参与者用右手持握。

实验环境经过精心控制，参与者佩戴降噪耳机和眼罩以排除视听干扰。虚幻扭矩线索通过向并排放置的两个振动通道施加相位差为-90度或90度的非对称振动来产生，其基本波形模型包含75赫兹的基波和150赫兹的二次谐波。为了确保施加给每位参与者的振动刺激精确一致，研究团队还采用了一种个性化的校准方法，通过测量参与者持握状态下整个系统（包括放大器、振动器和手指机械阻抗）的频率响应，并对控制信号进行补偿。

关键技术方法包括：1) 采用极限法（limit method）测量多频率振动阈值；2) 基于线性系统辨识对非对称振动刺激进行个性化校准，以控制实际施加的加速度波形；3) 使用二选一强迫选择法（2AFC）评估对虚幻扭矩线索的方向辨别能力；4) 利用光学运动捕捉系统监测手腕运动，以排除本体感觉对幻觉判断的影响。样本队列来源于当地社区，包括健康年轻和老年志愿者。

振动阈值

研究结果清晰地显示，老年组的振动阈值在所有测试频率下均显著高于年轻组，并且这种差异随着频率的升高而增大（例如在300赫兹时效应量最大）。这一发现与既往研究一致，证实了老年人对振动，尤其是高频振动的敏感性下降。然而，在性别比较中，并未发现振动阈值存在显著的性别主效应。

虚幻拉力线索的方向辨别

在对虚幻扭矩线索的方向辨别上，结果出现了意想不到的模式。年轻组参与者，无论男女，都表现出很高的正确率（中位数超过90%）。令人惊讶的是，在老年组中，男性参与者的表现与年轻男性相当，并未显示出明显的年龄相关下降；而老年女性参与者的正确率则显著低于年轻女性。具体而言，在20 m/s²的刺激强度下，老年组的正确率低于年轻组，且这种差异主要源于老年女性敏感性的降低。刺激强度主效应显著，表明更高的刺激强度能带来更好的辨别性能。

为了确保实验结果的可靠性，研究人员还分析了实际呈现给参与者的刺激相位误差的均方根误差（RMSE）。分析表明，相位误差在年龄组和性别间均无显著差异，且与正确率无相关性，这说明刺激呈现的准确性并非导致老年女性表现较差的原因。此外，运动捕捉数据显示，所有参与者在实验过程中手腕运动角度极小，排除了因年龄相关的本体感觉衰退对结果产生主要影响的可能性。

振动阈值与虚幻拉力线索之间的关系

相关性分析进一步揭示了关键信息。振动阈值与虚幻线索辨别正确率之间，在男性参与者中未发现任何频率下的相关性，在女性参与者中虽在所有频率下均发现了微弱的负相关，但关联强度很弱。这一发现直接挑战了研究初始的假设。

研究结论与讨论

本研究的主要结论是，尽管年龄增长确实导致了振动阈值的升高（即外周触觉敏感性下降），但这种下降与虚幻扭矩线索的感知敏感性之间仅存在微弱或无关联。这表明，机械感受器的功能状态可能并非决定虚幻拉力线索感知的关键因素。相反，研究意外地发现了在老年人群中存在的显著性别差异：老年男性保持了与年轻人相似的幻觉敏感性，而老年女性则表现出明显的衰退。

这一发现具有多重重要意义。首先，它将对虚幻感知机制的研究焦点从外周感觉器官部分地转向了中枢神经系统处理过程。研究者推测，顶叶联合皮层在空间和方向感知中的作用，以及可能存在的与年龄和性别相关的脑功能差异，或许是解释该现象的关键。例如，已知在心理旋转等涉及空间认知的任务中存在性别差异，而虚幻线索的方向辨别可能涉及类似的神经机制。但鉴于年轻女性并未表现出敏感性降低，这种差异更可能是与老年化过程相关的特定变化，而非固有的性别差异。

其次，本研究为触觉界面技术的适老化设计提供了重要依据。对于面向老年人的应用（如导航、康复），需要考虑老年女性用户群体可能对基于此类幻觉的提示不敏感的问题，从而调整设计策略或开发替代方案。

当然，本研究也存在一些局限性。例如，样本量在设计时未预先考虑老年组内的性别差异，未来研究需要更大的样本进行验证。振动阈值测量采用的极限法可能受到习惯化影响。此外，研究仅控制了施加到振动器外壳的振动，未能监测皮肤表面的实际振动传播，因此无法完全排除皮肤机械特性差异的影响。

综上所述，Takeshi Tanabe等人的这项工作通过精妙的实验设计，揭示了年龄与性别对非对称振动诱导虚幻扭矩感知的复杂交互影响。研究未能证实外周机械感受器衰减是导致幻觉敏感性变化的主因，却意外地发现了老年女性特有的敏感性下降现象，这为后续深入探索虚幻感知的神经机制开辟了新的方向。未来研究需要结合手部尺寸、握力、指尖阻抗测量、神经传导研究以及空间认知任务评估等多种手段，进行多维度探究，方能最终揭开这一奇妙触觉幻觉背后的奥秘。