《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：A methodological study of virtual self-touch: effects on perception and motor control strategies
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虚拟现实（virtual reality，VR）技术的发展促进了利用身体图式（body schema）可塑性的研究。该研究探讨了受试者主动触摸作为替代身体的虚拟化身并接受触觉反馈的虚拟化身适应方法是否为更新身体图式所必需。这一方法称为虚拟自我触碰（virtua
虚拟现实（virtual reality，VR）技术的发展促进了利用身体图式（body schema）可塑性的研究。该研究探讨了受试者主动触摸作为替代身体的虚拟化身并接受触觉反馈的虚拟化身适应方法是否为更新身体图式所必需。这一方法称为虚拟自我触碰（virtual self-touch，VST）。研究人员开展了包含10名受试者的实验，使用与受试者实际身体尺寸相同的虚拟化身，以及右臂前臂长度增大至1.5倍的虚拟化身。通过基于问卷的身体拥有感（sense of body ownership，SoO）和能动性感（sense of agency，SoA）、本体感觉漂移（proprioceptive drift）测量以及不显示虚拟化身时的到达任务，评估了VST的有效性。此外，将该方法与已有的虚拟化身适应方法——手臂摆动任务（arm swing task，AST）进行了比较。结果表明，VST比AST产生了更大的本体感觉漂移变化。此外，在到达任务中，VST较AST表现出更大的指尖轨迹和到达终末位置变异，提示VST影响运动规划。这表明VST有助于身体图式的变化。此外，研究检测到当仅依赖躯体感觉反馈时环境中存在空间感知失真。该结果为身体图式中空间感知表征提供了启示。
## 研究背景与问题
身体图式（body schema）是Head和Holmes于1911年提出的理论框架，代表调控身体姿势和运动的动态、无意识过程，在人类运动控制和神经科学领域得到了验证。身体图式具有可塑性，可通过多感官体验进行更新。虚拟现实技术能够精确分离视觉信息与其他感觉模态，成为研究身体图式变化的强有力工具。近年来，利用VR进行运动控制策略研究在康复领域得到广泛开展，研究人员提出了"生理虚拟化身"概念，旨在通过体验诱导生理变化，发现受试者体验具有不同动力学行为的虚拟化身后，其运动控制策略会发生改变，且误差学习后效应持续存在。
现有研究在虚拟化身体验干预身体图式方面仍存在不足。一方面，虽然橡胶手错觉（rubber hand illusion，RHI）和自我触碰错觉（self-touch illusion，STI）等错觉现象能够调节身体拥有感和身体意象，但将这些发现转化为系统的虚拟化身适应方法仍面临挑战。另一方面，Inamura等人的研究虽然开发了尺寸可调虚拟化身系统并评估了不同尺寸虚拟化身的本体感觉漂移，但受限于200±20 ms的虚拟化身高延迟，其对能动性感知的敏感性较低。此外，既有方法如手臂摆动任务主要依赖视觉-运动同步性，对于触觉-本体感觉整合在更新身体图式中的作用探索不足。因此，开发能够更有效促进身体图式更新、且适用于VR环境的新型适应方法具有重要意义。
## 研究设计与主要发现
本研究发表于《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》，旨在基于STI开发一种VR空间中的虚拟化身适应方法VST，并与先前研究的AST进行比较，以理解虚拟化身体验引起的身体图式变化。研究假设虚拟化身存在时的VST会相对于同样尺寸虚拟化身（same-size avatar，SA）条件诱导本体感觉漂移和到达任务表现的变化，并预测这些效应与AST存在数量差异。
研究招募了11名健康成人（最终有效样本n=10），采用被试内设计，在两天内分别完成AST和VST两种适应任务。每天的任务流程包括：前测评估、SA条件问卷、SA条件适应任务、SA条件后问卷、SA条件测试、切换为增大虚拟化身（enlarged avatar，EA）条件、EA条件前问卷、EA条件适应任务、EA条件后问卷、EA条件测试。评价指标包括：（1）基于7点Likert量表的SoO和SoA问卷评分；（2）作为内隐身体表征指征的本体感觉漂移测量；（3）反映运动规划变化的到达任务。
问卷结果显示，AST条件下SA和EA的SoA和SoO均有显著提升（SoA SA: z=-2.646, r=0.837, p=0.008; SoO SA: z=-2.121, r=0.671, p=0.034; SoO EA: z=-2.070, r=0.655, p=0.038）；而VST条件下仅EA条件的SoO出现显著改善（z=-2.111, r=0.667, p=0.035），其他条件无显著变化。这一差异提示持续自主手臂运动提供的传出副本信号对能动性感知至关重要。
本体感觉漂移测量结果显示，VST条件下SA测试与EA测试（z=-2.803, r=0.886, p
adj=0.013）、前测与EA测试（z=-2.701, r=0.854, p
adj=0.021）均存在显著差异；而AST条件下经Bonferroni校正后无显著差异。经前测标准化后，VST的SA-EA差异显著（z=-2.803, r=0.886, p=0.005），AST则不显著。绝对值方面，AST的EA条件产生约1.8±0.19 cm的本体感觉漂移，VST则产生约4.5±0.48 cm的漂移，分别为前测值的4.9%和9.6%。
到达任务结果显示（n=9），平均间隙（average clearance，AC）在AST（z=-2.666, r=0.889, p=0.008）和VST（z=-2.310, r=0.770, p=0.021）的SA与EA间均存在显著差异，且均值方向显示EA条件下间隙减小。x方向到达率（reaching rate x，R?R
x）和y方向到达率（reaching rate y，R?R
y）仅在VST的SA-EA间存在显著差异（R?R
x: z=-2.073, r=0.691, p=0.038; R?R
y: z=-2.073, r=0.691, p=0.038），均值显示R?R
x减小而R?R
y增大，提示到达终末位置向目标圆左上方位移。
## 关键技术方法
本研究采用被试内实验设计（n=10，到达任务n=9），使用独立头戴显示器环境中的尺寸可调虚拟化身系统。主要关键技术包括：（1）基于Meta Quest Pro头戴显示器的VR环境，利用内置传感器进行上肢追踪实现虚拟化身控制，显示延迟约20 ms；（2）自主研发的触觉反馈装置，包含微控制器控制的六个偏心电机振动器，附着于左手食指远端指骨及右手各指远端指骨，在虚拟化身指尖接触检测区域碰撞时提供同步振动触觉反馈；（3）基于Blender Human Base Meshes变形生成的VRM格式虚拟化身，可根据受试者身体测量数据调整尺寸；（4）本体感觉漂移测量采用特制前臂长度测量仪，通过左手食指指向右手食指的方法评估主观前臂长度感知；（5）到达任务设计为在VR空间中绕过圆柱形障碍物（直径20 cm，高度1 cm）的指尖运动任务，通过50 Hz采样获取右手食指位置数据，经立方样条插值后进行时间归一化处理，提取平均间隙AC、x方向到达率R?R
x和y方向到达率R?R
y
## 研究结果详述
**问卷结果**：AST条件下，SA和EA的SoA与SoO均显著改善，表明AST有助于增强对虚拟化身的主观身体拥有感和能动性感。VST条件下仅EA的SoO显著改善，可能与SA条件下虚拟化身指尖与物理身体接触产生的感觉冲突有关。在EA条件下，由于指尖周围不存在物理身体，视觉和指尖反馈成为身体识别的唯一信息来源，从而改善了身体拥有感。
**本体感觉漂移测量**：VST产生了显著的本体感觉漂移，而AST虽有相同趋势但未达统计学显著性。VST的漂移幅度约为AST的2.5倍（9.6% vs. 4.9%），表明VST更强地将身体大小感知与虚拟化身大小对齐。前测中标准化前臂长度低于1的现象提示，仅依赖躯体感觉输入时存在手臂长度低估倾向，这与Longo和Haggard（2010）及Matsumiya（2022）关于手指长度低估的报告一致。
**到达任务**：两种方法在EA条件下均显著减小了障碍物间隙AC，表明虚拟化身延长一致更新了身体大小表征并改变了近端运动规划。VST独特性在于R?Rx和R?Ry的显著变化，提示其对运动规划的特定影响。研究人员提出假设：近端空间中受试者基于前臂与周围物体的相对大小构建坐标系，而远端空间中由于视角畸变降低视觉前臂长度的可靠性，身体图式中存储的绝对大小参考可能引导到达距离。
**AST与VST的比较**：两种方法均能在EA条件下诱导本体感觉漂移并减小障碍物间隙，表明视觉虚拟化身与本体感觉反馈之间的多感官一致性足以触发内隐身体图式更新。但两者的效应模式不同：AST对主观问卷指标产生更广泛效应，而VST虽问卷效应较局限，但对内隐身体图式和运动规划相关指标的影响更清晰。VST的触觉-本体感觉自我接触提供了比单纯视觉运动同步更丰富的多感官输入，用于更新身体图式。
## 讨论与结论
研究人员在讨论部分深入分析了VST的作用机制。VST中固定右臂的姿势使本体感觉漂移仍能在不同前臂角度（适应时约30°，测量时约90°）间转移，提示VST动作可能有助于身体图式的一般性更新。到达任务中仅依赖躯体感觉反馈时检测到的空间感知失真，为理解身体图式中的空间感知表征提供了重要启示。
研究局限性包括：样本量较小（n=10，到达任务n=9）限制了统计效力；问卷口头施测可能引入实验者期望效应；VST中指尖定位跟踪精度不足导致视觉/触觉反馈与实际躯体感觉输入存在差异；VST包含运动学习成分，运动与触觉模态未能完全分离；未考察VST效应的时间持久性。
研究结论指出：作为初步调查，AST在主观问卷指标和本体感觉漂移方面显示出较先前报告更大的变化，这可能归因于VR系统延迟降低和适应任务时间延长。VST方法在EA条件下改善了SoO，产生了相对较大的本体感觉漂移（EA条件下绝对值4.5±0.48 cm，而Inamura等人使用2×虚拟化身时为1.2±1.6 cm），以及到达轨迹的变化。这些初步发现提示VST可能影响身体拥有感/能动性指征和身体图式相关测量，特别是在虚拟化身与用户身体尺寸不同时。主动伸手触碰虚拟化身上自身的动作可能有助于促进身体图式的更新，但这一解释需要未来更大样本研究的确认。SA条件下SoO和能动性感未改善，可能是由于VR环境中同步视觉触觉刺激与物理身体接触之间的交互作用阻碍了身体拥有感的增强。因此，为通过VST改善身体拥有感和能动性感，应增强视觉与触觉信息的一致性。在实际应用如机器人操作或康复中，身体拥有感/能动性感及身体图式相关效应应能持续，VST对这些效应时间衰减的稳健性有待未来研究。
