Als je in het donker op zoek bent naar je autosleutels, of ’s ochtends probeert je wekker te vinden ben je eigenlijk een zoektaak op de tast aan het uitvoeren. In deze blog wordt aan de hand van verschillende zoekexperimenten beschreven hoe tast informatie die binnenkomt op de vingers wordt verwerkt door de hersenen. Uit de beschreven studies blijkt dat in veel gevallen niet alle tastinformatie op je vingers gelijktijdig verwerkt kan worden, maar dat dit per vinger gebeurt (serieel). In tegenstelling tot de vingers, kan tastinformatie op de twee handen wel gelijktijdig, in parallel, verwerkt worden. Deze resultaten zijn niet alleen een belangrijke aanvulling op onze fundamentele kennis van het tastwaarnemingssysteem, maar kunnen ook van belang zijn bij het ontwerpen van displays voor bijvoorbeeld slechtzienden of als aanvullende bron van informatie op smartphones en tablets.

Stel je voor: je komt op straat iemand tegen en jullie staan even te praten. Jullie besluiten wat af te spreken en daarom wil je zijn of haar telefoonnummer opschrijven. Terwijl jullie doorpraten zoek je met je handen in je tas naar een pen. Zonder te kijken ga je één voor één alle voorwerpen af met je handen, en op basis van bijvoorbeeld vorm of materiaal besluit je of dat het voorwerp is waar je naar op zoek bent. Bij dit zoeken op de tast komt veel meer kijken dan je in eerste instantie zou denken. Eén van die aspecten is bijvoorbeeld hoe je de tastinformatie die waargenomen wordt door aanraking met verschillende onderdelen van de hand (met name de vingers), combineert met kennis over de stand van je vingers, handen en armen. De studies die beschreven zijn in deze blog zijn allemaal ontworpen om kennis te vergaren over de manier waarop we objecten waarnemen en herkennen met onze handen en vingers. In deze studies onderzoeken we de manier waarop tastinformatie van de vingertoppen en de kennis over de stand van de armen, handen en vingers (proprioceptis) wordt verwerkt en gecombineerd door gebruikt te maken van verschillende soorten zoektaken.

Hoe werken de vingers samen?

Om te onderzoeken hoe het tastzintuig met tast informatie dat is verzameld door de vingertoppen omgaat, hebben we verschillende zoekexperimenten uitgevoerd. Het doel van deze studies was om te begrijpen in welke gevallen de vingers op een seriële manier (één voor één) hun tastinput verwerken en wanneer ze dat op een parallelle manier doen (allemaal tegelijkertijd). Ook hebben we bekeken of dit verschilt wanneer de vingers stilstaan of in beweging zijn. Belangrijk om te weten is dat de proefpersonen in geen enkele studie beschreven in deze blog de tast stimuli konden zien; zij waren ofwel geblindoekt of er was een scherm of gordijn tussen de proefpersoon en de experimentele opstelling geplaatst (zie ook in Figuur 1).

Seriële of Parallelle verwerking?

In een eerste studie hebben wij onderzocht of er binnen de tastwaarneming parallel verwerking zou kunnen voorkomen. Wij hebben daarvoor een zoektaak op de tast ontwikkeld, waarbij op elke vinger een stimulus getoond wordt. Op één vingertop werd een doel en op de rest van de vingers werden afleiders aangeboden (zie Figuur 1 voor de gebruikte experimentele opstelling). Deze stimuli werden gemaakt met speciaal papier waarop voelbare lijnen kunnen worden geprint (zwelpapier).

Zoeken op tast

Figuur 1.

Opstelling die gebruikt is om zoektijden te meten in een stilstaande zoektaak. Onder de vingers van de proefpersoon bevinden zich de stimuli, welke zijn gemaakt van zwelpapier. De sensors die zich hier weer onder bevinden kunnen de tijd dat de vingers zich op de stimuli bevinden meten.

De proefpersonen gaven aan waar het doel zich bevond door de desbetreffende vinger op te tillen. Wij namen de tijd op die de proefpersoon erover deed om het doel te vinden. Als de zoektijd hetzelfde is ongeacht het aantal vingers wat gebruikt wordt, spreken we van gelijktijdige of parallele verwerking van tastinformatie door de hersenen. Als de zoektijd oploopt met het aantal vingers wat gebruikt wordt is er sprake van seriele verwerking. In één van de experimenten was het doel een kruis en de afleiders cirkels. In een ander experiment was het doel een verticale lijn en de afleiders horizontale lijnen. In beide gevallen vonden we een serieel zoekpatroon, waarbij de tastinformatie op de vingers dus één voor één (serieel) verwerkt wordt. Maar, in een laatste experiment van deze studie was het doel een horizontale lijn en de afleiders waren oppervlaktes zonder lijn. In dit experiment vonden we wel een parallel zoekpatroon, waarbij dus alle informatie op de vingers tegelijkertijd verwerkt werd (Overvliet, Smeets, & Brenner, 2007a).

In een zoektaak zoals hierboven beschreven, wordt per vingertop een item aangeboden. De tijd die nodig is om een specifiek item te vinden hangt over het algemeen af van de hoeveelheid items die aangeboden worden, en daarom dus ook met de hoeveelheid vingers die gebruikt wordt. Is het het aantal vingers of het aantal items wat de doorslag geeft in de gevonden zoektijd in bovenstaande studie? In een tweede studie werden horizontale lijn stimuli aangeboden aan twee, vier of zes vingertoppen. De taak van de proefpersoon was het optillen van de vinger waaronder ze geen lijnstuk voelden. In één van de condities werden losse, niet uitgelijnde, lijnstukjes aangeboden, zodat het aantal aangeboden lijnstukjes hetzelfde was als het aantal vingers wat gebruikt moest worden. In een andere conditie moesten de proefpersonen een gat in een rechte lijn vinden. De vingers waren zodanig op de lijn geplaatst dat dit gat precies onder een vinger lag (zie Figuur 2 voor het verschil tussen deze twee condities).  Als alleen het aantal lijnstukken belangrijk zou zijn voor de zoektijden, zouden deze hoger worden naarmate je meer vingers gebruikt in de eerste conditie met de losse lijnstukjes, maar dit zou niet het geval zijn in de andere conditie. We vonden dat de zoektijd in beide condities steeg naarmate er meer vingers gebruikt werden. Echter, deze stijging van de zoektijd was kleiner in de conditie waarin de stimuli op één rechte lijn stonden. Dus, het aantal vingers bepaalt de zoektijd, maar het zoeken wordt efficiënter wanneer de stimulus kan worden geïnterpreteerd als één object (Overvliet, Mayer, Smeets, & Brenner, 2008).

Zoeken op tast

A

Zoeken op tast

B

De twee condities gebruikt in het zoek experiment. In figuur A ziet men de vingers gespreid conditie, en ik figuur B ziet men de vingers op één lijn conditie.

Stilstaan of bewegen?

In een volgende studie werd de invloed van beweging van de vingertoppen op de waarneming van tast stimuli bestudeerd. Twee seriële zoektaken, waarin de vingers van links naar rechts over taststimuli bewogen, werden gebruikt om te onderzoeken hoe de afstand tussen de items en het aantal vingers dat gebruikt werd om ze te scannen, de zoektijden en zoekstrategieën beïnvloeden. We hadden verwacht dat de tijd, die je spendeert om van het ene naar het andere item te bewegen, gebruikt wordt om de net opgepikte tastinput te verwerken. Zo zou de afstand tussen de items weinig invloed moeten hebben op de zoektijden, als de items te dicht bij elkaar zouden staan, zou je dan pauzes inlassen om de items te verwerken. In beide taken moesten de proefpersonen zoeken naar een doel (een kruisje) tussen afleiders (cirkels). De items werden op een rechte lijn geplaatst. De positie van het doel werd gevarieerd tussen de verschillende trials en de afstand tussen de items werd gevarieerd tussen de blokken trials (zie Figuur 3 voor de stimuli).

Zoeken op tast

Figuur 3.

De stimuli die zijn gebruikt in het bewegende zoek experiment. Op elke regel met stimuli (eveneens gemaakt van zwelpapier) is één doel te vinden. De bewegingen van het LEDje op de vinger werd gemeten met camera systeem.

In het eerste experiment gebruikten de proefpersonen hun wijsvinger om de rij met items te scannen en zodra ze het doel detecteerden tilden ze hun vinger op. Zoals verwacht hing de zoektijd af van de doelpositie, maar tegen de verwachting in ook van de afstand tussen de items. Voor de grotere afstand waren de bewegingen van de vinger van de proefpersoon snel tussen de items en stonden ze kort stil op de items, terwijl bij de kortere afstand de snelheid van de beweging constant was. Deze resultaten suggereren dat de proefpersonen de tijd tussen de items niet gebruikten om informatie over deze items te verwerken.

Wanneer we deze resultaten vergelijken met de resultaten van de eerste studie die ik in dit blog beschreef waarin de proefpersonen hun vingers stil moesten houden op meerdere items tegelijkertijd, waren de zoektijden in dit experiment iets sneller. Om uit te zoeken of dit effect wordt veroorzaakt door de beweging van de vinger of door het gebruik van maar één vinger in plaats van meerdere, vroegen we de proefpersonen de wijs-, middel- en ringvinger op 1 lijn te plaatsen en ze gezamenlijk te gebruiken om de items te scannen. In vergelijking met het eerste experiment is de tijd in contact met de items langer. Dit toont aan dat het gebruik van meerdere vingers de zoektijd vertraagt. Het was dus het gebruik van slechts één vinger wat de zoektijden in dit bewegende zoekexperiment sneller maakten dan het eerste (statische zoek)experiment, waar ook meerdere vingers tegelijk gebruikt werden. De oorzaak hiervan zouden we kunnen zoeken in de tijd dat het kost om van de ene naar de andere vinger ‘over te schakelen’, wanneer we iets kleins met meer dan één vinger aanraken (Overvliet, Smeets, & Brenner, 2007b).

Hoe werken de handen samen?

We hebben nu een beeld gekregen van hoe de vingers taststimuli verwerken die aan de vingertoppen worden aangeboden. De vraag die nog steeds openstaat is hoe de handen tastinformatie oppakken en verwerken.

Vingers van één hand vs. vingers van twee handen

Uit bovenstaande statische zoekexperimenten wordt niet duidelijk of het seriële zoekpatroon wordt veroorzaakt doordat alle zes vingers serieel hun input verwerken. Een alternatieve hypothese is dat vingers van twee verschillende handen wel informatie in parallel zouden kunnen verwerken, maar dat vingers binnen één hand alleen maar serieel zouden kunnen verwerken. We kunnen dit niet concluderen aan de hand van de resultaten van de eerste experimenten die eerder besproken werden in dit artikel.

Om deze vraag te beantwoorden hebben we een experiment uitgevoerd waarin de taak voor de proefpersoon wederom de detectie van een kruisje tussen rondjes en het optillen van de bijbehorende vinger was. Dit maal varieerden we de vingers die gebruikt werden: ofwel twee vingers van één hand ofwel twee vingers van de twee verschillende handen. We vonden dat twee vingers van één hand een serieel zoekpatroon lieten zien en dat twee vingers van twee handen een parallel zoekpatroon lieten zien. We kunnen nu dus stellen dat de resultaten van bovenstaande experimenten veroorzaakt werden door het parallel verwerken van informatie van twee vingers van twee handen en het serieel verwerken van informatie tussen de vingers van één hand (Overvliet, Smeets, & Brenner, 2010).

Zoeken naar 3D objecten

Tot nu toe zijn alleen stimuli van zwelpapier gebruikt om de processen van verwerking van tast te onderzoeken, maar “echte” objecten hebben we nog niet bekeken. In de laatste studie die beschreven wordt in deze blog is gekeken naar handbewegingen en zoektijden in zoekexperiment in een display met blokken. We voerden een zoekexperiment uit, waarin proefpersonen moesten zoeken naar een cilinder, rechthoek of een gedraaide kubus in een grit met kubussen (zie Figuur 4 voor de experimentele opstelling en de verschillende doelen).

Zoeken op tast

Figuur 4.

De stimuli die zijn gebruikt in het zoek experiment met reële objecten. Op de voorgrond en onder de vinger staan de verschillende doelen. Ook hier werden de bewegingen van de vinger en hand gemeten met een camerasysteem.

De eerste conditie die gemeten werd, was het zoeken met één vinger. Om een cilinder te herkennen is alleen tastinformatie nodig (de ronding van de rand van de cilinder, in vergelijking met de rechte rand van de afleiders). Voor het herkennen van een gedraaide kubus is tast alleen niet genoeg, je hebt ook proprioceptis nodig (stand van de vinger in de ruimte). Om de rechthoek te herkennen heb je ook proprioceptis nodig (de afstand en richting van de beweging van je vinger). De rechthoek was het moeilijkst om te vinden, de zoektijden waren veel hoger dan in de andere twee condities. De gedraaide kubus had gelijksoortige zoektijden als de cilinder, maar er werden meer fouten gemaakt. Dit suggereert dat het combineren van proprioceptis met tast geen extra tijd kost, maar wel resulteert in meer fouten.

In een tweede conditie konden de proefpersonen hun hele hand gebruiken. De zoektijd voor de rechthoek en de gedraaide kubus was korter dan wanneer er maar één vinger gebruikt mocht worden. Voor de cilinder waren de tijden hetzelfde als in de één vinger conditie en bovendien waren de zoektijden nu hetzelfde voor de verschillende vormen. Het aantal fouten was lager in de één enkele hand conditie dan in de één vinger conditie. Deze resultaten laten zien dat wanneer je een object kunt omvatten met je hand proprioceptis van de hand zelf geen belangrijke factor meer is.

Als laatste conditie konden proefpersonen beide handen gebruiken, hierbij vonden we dat de zoektijden ongeveer gehalveerd werden, wat er net zoals in de vorige paragraaf weer op wijst dat informatieverwerking parallel kan zijn over de twee handen (Overvliet, Smeets, & Brenner, 2008). Een goede illustratie hiervan is te zien in figuur 5, waar typische scantrajecten van zowel de conditie met 1 hand als de conditie met 2 handen te zien zijn. Deze scantrajecten laten zien dat de proefpersoon het grit systematisch afgaat en als hij of zij dat met twee handen doet gebruiken zij vaak een symmetrische strategie, waarbij beide handen tegelijkertijd het display afscannen.

Zoeken op tast

Figuur 5.

Bewegings trajecten in de conditie met één hand (links) en trajecten in de conditie met twee handen (rechts). De trajecten van de verschillende handen zijn in twee verschillende kleuren aangegeven: geel voor de linkerhand en wit voor de rechterhand.

Conclusie

De verwerking van tastinformatie kan op zowel een seriële als een parallelle manier plaatsvinden. Seriële zoektijden worden bepaald door het gebruik van meerdere vingers. Òf je moet van de ene naar de andere vinger overschakelen terwijl je je vingers over een kleine  taststimulus beweegt, òf je moet wachten tot alle vingers klaar zijn met het verwerken van informatie, wanneer je meerdere kleine taststimuli aan elke vingertop aangeboden krijgt. Dit geldt echter niet wanneer deze vingers tot verschillende handen behoren: de handen kunnen namelijk tastinformatie in parallel verwerken. De resultaten van deze studies kunnen gebruikt worden in het ontwikkelen en ontwerpen van displays die een interface hebben waar de vingertoppen mee interacteren.

Het zoeken in je tas

Om terug te keren naar het voorbeeld van zoeken naar je pen in je tas: volgens de eerste studies die besproken zijn in dit artikel is het moeilijk om meerdere objecten die je tegelijkertijd met meerdere vingers aanraakt in parallel te verwerken. Het aanraken van meer dan één object met één hand kan in die zin het zoekproces een stuk gecompliceerder maken. Aan de andere kant, wanneer je één pen met meerdere vingers aanraakt, versnelt dit het herkenningsproces. Wanneer er genoeg ruimte is in je tas om je vingers over de pen te bewegen, helpt het je om informatie te krijgen over de vorm van het object. Echter, het versnelt niet per sé het verwerken van ruimtelijke eigenschappen van een object. Wanneer je je hele hand gebruikt zodat je de pen kunt omvatten dan hoef je geen rekening te houden met proprioceptis van je hand en kun je de vorm op tast voelen. Als je twee keer zo snel wilt zijn dan wanneer je één hand gebruikt, kan je het best met twee handen in je tas zoeken.

Referenties

  1. Overvliet, K.E, Mayer, K., Smeets, J.B.J., & Brenner, E. (2008). Haptic search is more efficient when the stimulus can be interpreted as consisting of fewer items. Acta Psychologica, 127(1), 51-56.
  2. Overvliet, K.E., Smeets, J.B.J., & Brenner, E. (2007a). Parallel and serial search in haptics. Perception & Psychophysics, 69(7), 1059-69.
  3. Overvliet, K.E., Smeets, J.B.J., & Brenner, E. (2007b). Haptic search with finger movements: using more fingers does not necessarily reduce search times. Experimental Brain Research, 182(3), 427-34.
  4. Overvliet, K.E., Smeets, J.B.J., & Brenner, E. (2008). The use of proprioception and tactile information in haptic search. Acta psychologica, 129(1), 83-90.
  5. Overvliet, K.E., Smeets, J.B.J., & Brenner, E. (2010). Serial search for fingers of the same hand but not for fingers of different hands. Experimental Brain Research, 202(1), 261-264.