自主动义肢的运动速度如何影响虚拟现实中的具身感、可用性和机器人社交属性

为什么机械手臂的动作方式真的很重要

机械假肢每年都在变得更强大，不仅有望在截肢后恢复运动能力，还可能让佩戴者感觉它是身体的自然一部分。然而有一个出人意料的简单问题尚未得到充分研究：自主假肢手臂的运动速度是否会改变佩戴者对其“自然性”、安全性和可用性的感受？这项研究利用虚拟现实来探索不同的运动速度如何塑造人们认为机械手臂属于自己、能代替自己行动，以及更像值得信赖的伙伴而非晃动不定的机器人的感受。

试戴虚拟机器人手臂

为了解答这个问题，研究者让志愿者进入沉浸式虚拟现实环境，并赋予他们一个左前臂截肢的数字身体。在虚拟世界中，缺失的手臂部分被一只可以自主弯动的流线型机器人前臂替代。参与者控制他们的上臂和肩膀，但当虚拟肘部接近一个发光目标时，假肢前臂会自动摆动完成伸手。该运动遵循平滑的“最小颤动”轨迹，这是一种已知类似于自然人类运动的缓曲线轨迹。

六种不同速度，一个简单任务

关键变量是，假肢前臂的自动弯曲可以非常快也可以非常慢。研究团队测试了六种运动时长，从非常快的125毫秒到悠闲的4秒，之间有若干中间档。在每一种速度条件下，志愿者进行一系列触目标试验，尽量快速触碰出现的目标。在每个试验区块后，他们评价自己对手臂的归属感（身体所有权）、感觉这些动作有多像“他们自己的”动作（能动性感）、系统的可用性，以及手臂在能力、温暖度和不适感等机器人类社交特质上的评分。研究者还测量了在假肢接手前，人们将真实上臂朝目标移动的速度。

中等速度最像身体的一部分

结果描绘出一幅清晰的图景：约一秒的中等运动时长带来了最强的身体所有权感和能动性感，以及最高的可用性评分。当假肢运动要么非常快（125毫秒），要么非常慢（4秒）时，受试者更少感到它是自己身体的一部分，也更少觉得它是在代表自己行动。稍快一些的半秒动作也表现良好，与极端条件相比仍保持较高的归属感和能动感。这一模式表明存在一个速度“甜点区”，在此速度下自主肢体既显得自然又有帮助，而过快或过慢的动作会让大脑更难将该装置整合到自身身体形象中。

舒适度、能力感以及人们如何适应

手臂速度如何塑造其“个性”的方式同样耐人寻味。中等速度的动作被评为比最慢动作更有能力，而最快的动作会让人感到最不舒适，这与以往针对独立机器人得到的发现相呼应。有趣的是，对温暖度的评分——大致指手臂显得多么友好和可接近——随速度变化不大。人们也会微妙地调整自己的行为：当假肢移动缓慢时，他们倾向于将真实上臂朝目标移动得更慢，仿佛在下意识地匹配机器人的节奏。这种适应性暗示，一旦自主肢体部分被具身，用户可能会调整自身动作以更好地与之协调。

这对未来假肢意味着什么

对非专业读者而言，结论很直白：自主假肢的运动速度不仅仅是一个技术参数；它直接影响用户是否感觉该装置真正成为自己的一部分，以及它是否显得安全且有能力。在这项针对健康参与者的虚拟现实研究中，大约一秒的运动时长达到了最佳平衡，最大化了归属感、控制感和可用性，同时避免了超快运动引发的不适。随着更先进的假肢和可穿戴机器人进入日常生活，细致调整运动速度——并将其保持在人类般、舒适的范围内——可能和增加传感器或更智能算法一样重要，若我们希望这些设备既是高效工具又是真正可居住的身体延伸物。

引用: Hapuarachchi, H., Inoue, Y., Shigemasu, H. et al. Movement speed of an autonomous prosthetic limb shapes embodiment, usability and robotic social attributes in virtual reality. Sci Rep 16, 7750 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38977-8

关键词: 假肢, 虚拟现实, 具身感, 人机交互, 运动速度