Effekte von Feedback und Alterung auf Zielbewegungen in Virtual Reality

Die Teilnehmer führen eine 3D-Fitts-Aufgabe mit ihrer dominanten rechten Hand aus, bei der sie von einem festen Startknopf zu einem Ziel greifen, das entlang der sagittalen Mittellinie des Körpers positioniert ist. Das Ziel wird 32 cm vorwärts (anterior-posterior) und 24 cm aufwärts (vertikal) von der Startposition entfernt platziert, was nach dem Satz des Pythagoras (a²+b²=c²) eine resultierende Bewegungsstrecke von 40 cm ergibt. Diese Distanz entspricht maximal etwa 80 % der maximalen Vorwärtsreichweite. Die Teilnehmer sitzen bequem gegen eine Rückenlehne vor einem Tisch, wobei Stuhl- und Tischhöhe sowie die Apparaturposition individuell so eingestellt werden, dass der Startknopf auf einer ergonomisch optimalen Schreibtischhöhe ausgerichtet ist, vergleichbar mit der beim Schreiben verwendeten Höhe. Die Bewegungen werden mit einem Handcontroller ausgeführt, der vom eingebauten System des Head-Mounted Displays (HMD) getrackt wird. Das HMD wird in allen Bedingungen getragen: In der Realwelt-Laborbedingung (R) sehen die Teilnehmer die physische Apparatur durch den Passthrough-Modus, während sie in VR eine visuell identische virtuelle Replikation sehen. Die Teilnehmer verwenden nur ihre dominante rechte Hand. Vor jeder Zielbewegung ruht die rechte Hand auf dem Tisch, während sie auf den Startknopf zeigt. In der R-Bedingung wird der Startknopf durch einen offenen Rahmen dargestellt, der auf dem Tisch vor dem Teilnehmer montiert ist. Der Rahmen umreißt eine partielle sphärische Kontur, die die volle Größe einer Kugel anzeigt, und ist teilweise zum Teilnehmer und teilweise nach oben gerichtet, sodass Vorwärts- und Aufwärtsbewegungen zum Ziel ohne Kontakt mit einer festen Oberfläche möglich sind. Das Ziel ist eine runde Kugel, die auf einem dünnen vertikalen Stab montiert ist, in den die Teilnehmer zeigen müssen, ohne ihre Oberfläche zu berühren. Sowohl Startknopf- als auch Zielstrukturen werden aus leichtem 3D-gedrucktem Kunststoff (2–3 mm Dicke) mit abgerundeten Kanten hergestellt. Die Zieldurchmesser entsprechen 4 verschiedenen Werten (14,1, 7,1, 3,5 oder 1,8 cm), und der Startknopf ist neutral gelb mit einem mittleren Durchmesser (3 cm). In der VR-Bedingung wird das Setup visuell und räumlich repliziert. Der Startknopf wird als vollständige graue Kugel dargestellt, die der durch den Realwelt-Rahmen angezeigten Größe entspricht, während die Zielkugel und der vertikale Stab identisch gerendert werden. Im Gegensatz zur R-Bedingung ist die vollständige Kugel in VR sichtbar, da es keine physische Barriere gibt, die die Teilnehmer daran hindert, sie zu durchdringen. Die Aufgabenschwierigkeit wird über die Zielbreite (14,1, 7,1, 3,5 oder 1,8 cm) manipuliert, was Schwierigkeitsindizes (IDs) von 2,5, 3,5, 4,5 und 5,5 Bits ergibt. Jeder Versuch beginnt damit, dass die Controllerspitze auf der Startkugel ruht, und die Teilnehmer bewegen sich so schnell und genau wie möglich auf das Ziel zu. Ein Versuch gilt als erfolgreich, wenn der Controller kontinuierlich für 0,5 Sekunden innerhalb der Zielkugel bleibt. Es gibt vier verschiedene Feedback-Bedingungen, die im Abschnitt 'Arms and Interventions' detailliert beschrieben werden. Die Teilnehmer werden aus zwei Altersgruppen rekrutiert: Entweder junge Erwachsene im Alter von 18–28 Jahren oder gesunde ältere Erwachsene im Alter von 65–75 Jahren. Vor Beginn des Experiments (d. h. der Datenerfassung) absolvieren die Teilnehmer eine Eingewöhnungsphase in allen vier Feedback-Bedingungen, die in randomisierter Reihenfolge präsentiert werden. In jeder Bedingung führen sie zwei Blöcke mit jeweils 10 Versuchen bei den IDs 3 und 5 durch (Entfernung von 40 cm und Zielgrößen von 10,0 cm bzw. 2,5 cm), wobei die Reihenfolge der IDs ausbalanciert wird. Diese Eingewöhnung umfasst insgesamt 80 Eingewöhnungsversuche und dient dazu, die Teilnehmer mit der Apparatur, dem Controller, der VR-Immersion und den Feedback-Bedingungen vertraut zu machen. Nach jeder Bedingung geben die Teilnehmer eine kurze Bewertung der Bewegungskrankheit mithilfe des Simulator Sickness Questionnaire und machen eine kurze Pause (etwa 60 s, länger bei Bedarf). Das Hauptexperiment besteht aus 160 Versuchen pro Teilnehmer (4 Feedback-Bedingungen × 4 IDs × 10 Versuche). Die Versuche werden in Blöcken von 40 organisiert, wobei jeder Block vier aufeinanderfolgende Durchläufe von 10 Versuchen mit einer einzigen ID umfasst (z. B. 10 Versuche bei ID 3, dann ID 4 usw.). Die Reihenfolge der IDs innerhalb jedes Blocks wird randomisiert, und die Bedingungsreihenfolge wird über die Teilnehmer hinweg mithilfe eines lateinischen Quadrats ausbalanciert. Das Bewegungstracking-System des Meta Quest 3 wird verwendet, um 3D-Positionsdaten des Handcontrollers während jedes Versuchs zu erfassen (nominale Abtastfrequenz = 120 Hz). Der Bewegungsbeginn gilt als eingetreten, wenn die Controllergeschwindigkeit einen Schwellenwert von 3 cm/s überschreitet, und das Bewegungsende wird als der Moment definiert, in dem die Geschwindigkeit unter 3 cm/s fällt (nach dem Zieleintritt bei erfolgreichen Versuchen). Diese in früheren Experimenten verwendeten Schwellenwerte stellen sicher, dass nur intentionale Bewegungsperioden erfasst werden. Die Bewegungszeit ist definiert als die zwischen Bewegungsbeginn und -ende verstrichene Zeit.