使用功能性近红外光谱测量用户对人类、机器人和类人机器人的反应

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研究背景

恐怖谷假说 (UVH) 描述了一个人的情感从亲近到厌恶的突然变化，这种变化是由与人类相似的机器人引起的。然而，支持 UVH 的证据主要基于主观评估。因此，关于恐怖谷效应是否存在行为或神经生理学表现仍然是一个悬而未决的问题。本实验研究了前额叶皮层 (PFC)，一个与情绪调节相关的大脑区域，是怎么被具有不同人类特征的机器人所激活和调控的。
 

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研究方法
 

2.1、被试

共26名有效被试被招募，其中男性10名，女性16名，平均年龄20.8岁。
 

2.2、实验材料

视觉刺激采用了60张机器人图片和20张人类图片。机器人或人类的长相人类化程度见图1所示。

图1. 视觉刺激中机器人或人类的长相人类化程度。灰色会机器人，蓝色为人类。
 

2.3、实验流程

被试在头带fNIRS检测设备的同时观察80张图片（随机顺序），每张图片呈现6s。在看完80张图片后，这些图片会再次出现，且被试需要对图中机器人或人类的人类化程度和怪异程度进行评分。
 

2.4、数据采集和处理

功能近红外光谱（NIRS， fNIRS 或 fNIR）用于测量参与者的前额叶神经活动（以血流动力学变化为指标）。使用双通道 NIRS 血氧计（ISS Imagent；TR = 11Hz）从参与者的双侧前内侧前额叶皮质 (PFC) 收集数据。
 

NIRS 数据首先从原始光衰减转换为血红蛋白单位，然后过滤以减少全身伪影。通过从原始数据中减去截止频率为 0.08Hz 的 1 级 Savitzky-Golay 低通滤波器产生的时间序列，去除了低频伪影。然后应用第二个滤波器（1 级 Savitzky-Golay，截止频率为 0.5Hz）以减少心脏搏动。转换和过滤产生两个信号——左右 PFC 的每次试次的氧合血红蛋白 (HbO)。
 

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研究结果
 

3.1、具有不同程度的人类化长相的机器人及人类所诱发的脑部血流变化

结果表明氧合血红蛋白有两个显着的正峰值，与人类相似度等级 (h) 相关，范围为 [1 < h <= 2]，再次为 [4 < h <= 5]。此外，在 [2 < h <= 3] 范围内，氧合血红蛋白中有一个明显的谷值 （图2）。

图2. 人类相似性（h）的函数的平均基线校正 AUC （area under the curve）。
 

3.2、高度人类化的机器人所诱发的脑部变化是否代表着反感

与唤醒量表（arousal）上半部分相关的前额叶活动增加明显大于对人类刺激的反应。此外，与唤醒量表中心相关的前额叶活动减少明显低于与人类刺激相关的活动。
 

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实验结论

本研究结果表明，确实存在对具有怪异外观的机器人的情感反应，而且这种反应不仅对高度像人的机器人，而且对整体人像程度较低的机器人（即, 评分为 [1 < h <= 2])、但具有一些关键的类人特征的机器人也有这种情感反应。此外，对前额叶血流动力学的分析表明，单独的主观测量并不能完全捕捉到人类相似性与恐怖谷之间的关系。

Strait, M. and Scheutz, M., 2014, August. Measuring users' responses to humans, robots, and human-like robots with functional near infrared spectroscopy. In The 23rd IEEE international symposium on robot and human interactive communication (pp. 1128-1133). IEEE.

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