《Applied Sciences》：Head-Worn Vibrotactile Cueing Interface for Aquatic Environments: Design and Field Validation
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水生环境对常规反馈通道施加了严格限制，并挑战了可穿戴人机接口的部署。本文介绍了一种用于游泳过程中符号提示传递的头戴式振动触觉接口的设计、表征和现场验证。所提出的平台由一个防水可穿戴节点、六个独立控制的执行器、一个定制驱动器和一个主机端控制应用组成，该应用使用轻
水生环境对常规反馈通道施加了严格限制，并挑战了可穿戴人机接口的部署。本文介绍了一种用于游泳过程中符号提示传递的头戴式振动触觉接口的设计、表征和现场验证。所提出的平台由一个防水可穿戴节点、六个独立控制的执行器、一个定制驱动器和一个主机端控制应用组成，该应用使用轻量级协议和自主执行来容忍水下后间歇性无线连接。执行器操作在部署条件下进行了表征。使用空间和顺序激活模式对符号提示进行编码，并通过包含51名竞技游泳运动员的现场协议进行了验证。为了在没有额外水下运动仪器的情况下实现实用评分，每个提示被映射到一个外部可观察的响应。在熟悉六符号提示-响应词汇后，参与者在总体任务级准确率为96.96%，其中初始岸上试验为99.35%，随后在符号熟悉和训练后的水下试验中为94.55%。由于试验顺序固定，试验间差异不能完全归因于水生介质。符号级分析显示，前部执行器和爬泳提示最为稳健。次要用户评估结果表明，该原型在短期会话中可理解且可耐受。这些结果支持训练后的六符号提示词汇在头戴式配置下于水生环境中进行符号振动触觉提示传递的可行性，并为未来闭环水生反馈系统提供了工程基础。
论文解读
水生环境对实时反馈提出了苛刻要求。视觉反馈与泳道导航、呼吸及身体姿态竞争，听觉反馈需要专用防水换能器且易受环境噪声和水耦合影响。振动触觉（vibrotactile）反馈通过皮肤接触传递短促符号指令，成为一种不依赖视线且对声学环境依赖较低的替代方式。然而，先前的水生反馈系统多集中于视觉或听觉引导，触觉研究大多局限于小样本、窄任务或初步原型，缺乏将器件实现、执行器表征、通信架构与现场验证相结合的系统级工程研究。因此，研究人员设计并现场验证了一款头戴式六执行器振动触觉提示接口，旨在游泳过程中传递训练后的符号提示，以弥补这一工程空白。
该研究结合工程开发与现场验证，开发了完整的可穿戴平台，并用51名竞技游泳运动员进行了现场验证。研究结果显示，经过熟悉和训练的六个符号提示在游泳过程中可被高准确率解读，总体任务级响应准确率达到96.96%，其中岸上为99.35%，水下为94.55%。水下试次错误显著多于岸上，但试次顺序固定，不能完全归因于水生介质。符号级分析进一步揭示了特定提示的稳健性差异，为后续设计改进提供了依据。该研究的价值在于从组件和符号级探索推进到了完整系统的现场验证，证明了紧凑词汇的振动触觉提示在头戴式配置下的可行性，为未来闭环水生反馈系统奠定了工程基础。论文发表于《Applied Sciences》。
关键技术方法方面，硬件上采用Adafruit M0微控制器和WINC1500无线模块，驱动六只3.3V偏心旋转质量（ERM）执行器，使用MOSFET驱动级并配置飞轮二极管；电子元件置于水密外壳，执行器用合成树脂封装。通信采用基于用户数据报协议（UDP）的轻量级协议，支持自主执行预载序列以容忍无线连接中断。执行器动态特性（上升时间99.2 ms，下降时间62.7 ms）在部署条件下表征。现场验证招募了51名竞技游泳运动员（27男24女，年龄15.9±2.6岁），将执行器以每侧前、中、后三位置对称安装于头部并置于泳帽下。受试者先进行符号熟悉和学习（12次随机提示，需全部正确），再依次完成岸上步行和水下游泳两个验证试次，每试次含18个随机提示，每个提示映射到一个可外部观察的游泳动作，实验者据此计分。采用Wilcoxon符号秩检验比较配对误差，并使用用户体感问卷（UEQ）评估短期体验。
研究结果部分如下：
3.1 任务级响应准确率（Task-Level Response Accuracy in Dry and Aquatic Conditions）：通过两个试次的成绩分析，参与者在36个提示中总体准确率为96.96%，岸上试次为99.35%，水下试次为94.55%。Wilcoxon符号秩检验显示水下错误显著增多（W=0, Z=4.1942, p<0.001），效应量r=0.89。由于所有受试者均先岸后水，该差异可能混合了试次顺序、疲劳、持续暴露和好奇效应，不能单独归因于水生介质。
3.2 符号级性能与混淆模式（Symbol-Level Performance and Confusion Patterns）：通过符号级错误计数和混淆矩阵分析，在岸上所有提示错误率极低；水下条件下，前部执行器提示（左臂、右臂）和爬泳序列最稳健，水下爬泳提示错误率仅0.65%，而翻转提示错误率最高为10.46%。错误主要表现为少量提示对之间的替换或遗漏，且多集中于涉及后部执行器的提示对，例如仰泳与仅打腿动作。这表明水下提示稳健性取决于执行器位置、空间分辨难度以及映射动作的复杂度。
3.3 次要用户评价（Secondary User Evaluation）：通过UEQ问卷，参与者在清晰度（1.9）、吸引力（1.7）和新颖性（1.6）上评分较高，而在可靠性（0.7）上评分最低，这可能与随机提示呈现有关。结果作为短期可接受性的次要证据，表明原型可理解且可容忍，但仍需针对水下穿戴舒适度、游泳帽压力、皮肤刺激等设计专用评估工具。
讨论部分指出，任务级高准确率表明受训提示在水下可行，但符号级错误模式提示需要针对特定提示重新设计，例如修订后部执行器编码或调整符号时序。架构上，自主执行模式成功支持了水下操作，无需持续无线连接。与相关触觉反馈系统相比，本系统提供更大词汇量，但后部执行器的空间分辨负担更大。局限性包括未测量振动检测阈值、空间分辨阈值、运动响应延迟、安装耦合变化；样本为年轻竞技游泳运动员，仅进行单次短会话，未评估长期穿戴耐久性。未来工作将改进执行器技术、进行心理物理表征、整合运动学传感，并开展平衡顺序的对照比较研究。
结论部分可翻译为：本文介绍了用于水生环境的头戴式振动触觉提示接口的设计、表征和现场验证。51名竞技游泳运动员的现场验证表明，预定义的符号提示可被高准确率解读，其中后续水下试次观察到的任务级响应准确率为94.55%。由于岸上试次总是先进行，试次间差异不应被解释为水生介质的孤立效应。未来的平衡顺序研究应区分介质与试验程序的影响。这些结果支持训练后的符号振动触觉提示在主动游泳中传递紧凑六符号词汇的可行性。研究结论应视为对一种防水头戴式接口配置的验证，而非游泳训练效果或最佳执行器布局的证据。前部简单提示和爬泳序列最稳健，而后部和较复杂提示产生了大多数混淆。未来工作将聚焦于改进执行器技术、更稳固的安装、水中感知的心理物理表征、与运动学传感的闭环集成以及时间关键的比较评估。
