虚拟现实中的亲生物设计对路径操控性能的影响研究

本研究探讨了虚拟现实(VR)环境中亲生物设计(biophilic design)对路径操控任务(steering task)的影响。研究人员通过结合两种实验范式，在有无虚拟植物的VR办公室环境中测试参与者的操控性能。结果显示，虽然路径长度、宽度和曲率显著影响操控时间，但虚拟植物的存在并未改善操控性能，也未提升存在感(IPQ)和感知恢复性(PRS)。这一发现对VR环境中亲生物设计的应用效果提出了新的思考。

　　

在当今快速城市化的时代，超过一半的世界人口居住在城市中，大部分时间生活在人造环境中。这种与自然的隔离引发了人们对心理和生理健康的担忧。亲生物设计(biophilic design)作为一种创新的设计策略，旨在通过将自然元素融入建筑环境来重新连接人与自然。随着虚拟现实(VR)技术的快速发展，研究人员开始探索虚拟自然环境的潜在益处，但以往研究主要集中在认知任务和心理反应上，对于空间交互任务如路径操控(steering)的影响尚不清楚。

为了填补这一研究空白，Fariba Mostajeran及其团队在《Scientific Reports》上发表了一项开创性研究，探讨了虚拟现实环境中亲生物设计对路径操控性能的影响。研究人员巧妙地将两个先前的研究结合起来：一个是他们自己关于虚拟植物对认知任务影响的研究，另一个是Liu等人关于路径操控建模的研究。

研究采用了Meta Quest 2头戴式显示器(HMD)呈现两种虚拟办公室环境：一种是没有任何植物的非亲生物环境，另一种是包含28个虚拟3D植物模型的亲生物环境。参与者需要完成两种场景的路径操控任务：第一种场景考察路径长度、宽度和曲率的影响；第二种场景考察路径纬度和经度的影响。

在技术方法上，研究采用室内追踪技术将虚拟手部位置直接映射到物理位置，使用Unity3D游戏引擎构建虚拟环境，并通过重复测量方差分析(RM ANOVA)和回归分析处理数据。27名参与者完成了所有实验任务和问卷调查，包括模拟器病问卷(SSQ)、群体存在感问卷(IPQ)和感知恢复性量表(PRS)。

研究结果显示，在场景一中，路径长度(F(1.88,15)=106.12, p<.001, η_p²=.93)、宽度(F(1,8)=177.2, p<.001, η_p²=.96)和曲率(F(1.21,9.68)=14.07, p=.003, η_p²=.64)都对操控时间有显著影响，但环境条件(有无植物)没有显著效应(F(1,8)=0.00, p=.95, η_p²<.001)。

在场景二中，路径纬度(F(1.72,31.02)=24.12, p<.001, η_p²=.57)和经度(F(3.39,61.03)=3.81, p=.01, η_p²=.18)对操控时间有显著影响，但环境条件仍然没有显著效应(F(1,18)=2.13, p=.16, η_p²=.11)。

问卷结果显示，模拟器病症状在两种环境间无显著差异(F(1.81,47.09)=1.03, p=.36, η_p²=.038)。存在感测量显示，总体存在感(t(26)=.95, p=.35, |d|=.18)、一般存在感(t(26)=.18, p=.86, |d|=.04)、空间存在感(t(26)=.36, p=.72, |d|=.07)、参与度(t(26)=.97, p=.34, |d|=.19)和体验真实感(t(26)=.56, p=.58, |d|=.11)都没有显著差异。感知恢复性也没有显著差异(t(26)=.73, p=.47, |d|=.14)。

有趣的是，63%的参与者没有注意到两个虚拟办公室之间的差异(即有无植物)，只有37%的参与者正确识别出了植物作为主要区别。

讨论部分指出，本研究成功复制了Liu等人关于操控定律(steering law)扩展模型的研究结果，证实了路径长度、宽度、曲率、纬度和经度对操控时间的影响。然而，与研究者之前的发现不同，虚拟植物的存在并未改善路径操控性能，也未提升主观体验指标。

研究者分析了可能的原因：首先，视觉呈现的操控任务可能阻碍了参与者对虚拟植物的感知，从而削弱了其潜在益处；其次，实验持续时间较短可能不足以产生显著效果；第三，大多数参与者没有注意到环境差异，这可能影响了结果的显著性。

研究还指出了几个局限性：单次暴露设计无法评估重复或长期暴露的效果；样本年龄较轻(平均22.78岁)且来自WEIRD(西方、受教育、工业化、富裕和民主)人群，限制了结果的普适性；缺乏对物理环境的系统控制。

尽管本研究未发现虚拟植物对操控任务的积极影响，但研究者强调不应忽视亲生物设计在建筑环境中对运动认知任务的潜在益处。特别是在需要持续注意力的重复性、单调性任务中，亲生物设计可能通过注意力恢复理论(ART)和压力减少理论(SRT)的机制，促进注意力恢复和压力恢复，从而维持安全性、准确性和效率。

该研究对虚拟现实环境设计具有重要意义，挑战了先前关于亲生物设计在VR中积极效应的研究结论，至少对于视觉运动任务和主观存在感是如此。研究结果强调需要进一步探索交互式VR系统中亲生物设计如何以及何时能够改善用户的认知过程。

总之，这项研究为理解虚拟环境中自然元素的作用提供了新的视角，指出了未来研究的方向：需要更深入地探索不同任务类型、暴露时长和参与者特征对亲生物设计效果的影响，以及如何在交互式VR应用中最佳地整合自然元素以最大化其潜在益处。