DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35017-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491864
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Jue Qu وآخرون
الموضوع الرئيسي: التفاعل بين الإنسان والآلات والسلامة
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة التحديات المتعلقة بالعبء المعرفي العالي وكفاءة إدراك المعلومات المنخفضة في واجهات نظم المعلومات المعقدة المستخدمة في العمليات التعاونية المأهولة وغير المأهولة. وتقترح طريقة لتحسين الواجهة تستند إلى نموذج التفاعل الحدسي، والذي يتضمن إنشاء بنية معلومات ثلاثية الأبعاد تضم معلمات حالة لعدة أنواع من الأهداف، ومعلمات نية سلوك الطائرات بدون طيار، ومعلمات حالة الهدف. تم إجراء تجربة تحكم بين المجموعات باستخدام مهمة ساحة معركة محاكاة لمقارنة الواجهات التقليدية والحدسية، حيث تم قياس أداء المشغلين السلوكي (زمن الاستجابة، معدل الدقة)، وخصائص حركة العين (نقاط التركيز، مسارات المسح)، وإشارات تخطيط الدماغ الكهربائي (سعة ومدة P300) من خلال تحليل دمج البيانات متعددة الوسائط.
أشارت النتائج إلى أن الواجهة الحدسية عززت بشكل كبير الوعي بالموقف، وكفاءة العمليات، وفعالية المهام، كما يتضح من انخفاض درجات عبء العمل المعرفي وفقًا لمقياس NASA-TLX (p=0.003) مقارنة بالواجهة التقليدية. تقترح الدراسة عدة طرق تصميم لواجهات نظم المعلومات المعقدة: (1) استخدام التمييز الديناميكي لترميز معلمات حالة الأهداف المتعددة لتحسين دقة التتبع، خاصة عندما يحتوي ناقل المعلومات الواحد على ثلاثة عناصر حدسية أو أقل؛ (2) تمييز تصميمات معلمات نية الطائرات بدون طيار بناءً على الميزات الدلالية، باستخدام إشارات الوميض وترميز الألوان لتسريع التعرف على النية؛ و(3) تنفيذ آلية رسم خرائط ديناميكية محلية-عالمية لمعلمات حالة الهدف، باستخدام العروض الرمزية لتقليل زمن التركيز مقارنةً بالوصف النصي. توفر هذه النتائج رؤى أساسية لتصميم الواجهات المستقبلية في نظم التعاون بين الإنسان والآلة ضمن بيئات ديناميكية وعالية المخاطر.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة التحديات التي تواجه العمليات التعاونية المأهولة وغير المأهولة، لا سيما في سياق نظم المعلومات المتطورة بسرعة. مع تزايد تعقيد هذه العمليات، تصبح القدرة على تحديد المعلومات الحرجة بسرعة واتخاذ قرارات فعالة أمرًا بالغ الأهمية. يتم تسليط الضوء على الاعتماد على نظم المعلومات القتالية التعاونية بين الإنسان والآلة، مع التركيز على الإمكانية التي توفرها تقنيات التفاعل الحدسي لتعزيز كفاءة المقاتلين في معالجة المعلومات المعقدة والتخفيف من المشكلات المتعلقة بعبء المعلومات.
تستعرض الورقة الأبحاث الحالية حول تصميم التفاعل الحدسي، الذي يدمج رؤى من علم النفس وهندسة العوامل البشرية، وتؤكد على مرحلته الناشئة في التطبيقات العملية. يتم الإشارة إلى المساهمات الرئيسية من فرق البحث المختلفة، بما في ذلك تطوير نظريات وأساليب التفاعل الحدسي التي تهدف إلى تقليل العبء المعرفي وتحسين فهم الواجهة. يحدد المؤلفون ثلاثة سيناريوهات محددة ضمن العمليات المأهولة وغير المأهولة—استطلاع الأهداف، الاعتراض الضرب، وتضليل التشويش—حيث يجب إدراك المعلمات الحرجة بسرعة. يقترحون ثلاثة أسئلة بحثية تهدف إلى تقييم فعالية الواجهات الحدسية مقارنةً بالتصاميم التقليدية، وتقييم العبء المعرفي، وتحديد معايير التصميم لأنواع المعلمات المختلفة في السياقات العسكرية. تهدف الدراسة إلى إجراء تجربة مقارنة للتحقق من فوائد التفاعل الحدسي في تعزيز الأداء التشغيلي وتقليل العبء المعرفي في سيناريوهات القتال المحاكية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تحقيق تجريبي لاستكشاف آليات الإدراك الفعالة الكامنة وراء التفاعل الحدسي في تصميم الواجهة. شملت التجربة 30 مشاركًا من الذكور، تتراوح أعمارهم بين 24 إلى 30 عامًا، جميعهم من طلاب الأكاديمية أو ضباط الخدمة الفعلية من جامعة الهندسة الجوية. تم اختيار المشاركين لضمان خلفية عسكرية موحدة وكانوا غير مدركين للواجهة المحاكاة المحددة المستخدمة، مما يقلل من التحيز الناتج عن الخبرة السابقة. التزمت الدراسة بالمعايير الأخلاقية، حيث تم الحصول على موافقة مستنيرة وتم إنشاء شروط ما قبل التجربة لضمان جاهزية المشاركين.
استخدمت إعدادات التجربة نظام محاكاة قتال تعاوني مأهول/غير مأهول قائم على المختبر، حيث شارك المشاركون في مهام استعلام المعلومات أثناء جلوسهم على بعد حوالي 70 سم من شاشة عرض بحجم 24 بوصة. شمل جمع البيانات مقاييس سلوكية، تتبع حركة العين، وتسجيلات تخطيط الدماغ الكهربائي، باستخدام نهج دمج بيانات متعددة الوسائط على مستوى القرار. كان تصميم الواجهات الحدسية مستندًا إلى أطر نظرية، بما في ذلك استمرارية التفاعل الحدسي لبلكلر ونظرية مخطط الصورة لهيرتين، والتي وجهت عملية تصميم منهجية من ثلاث مراحل. تضمنت هذه العملية مقابلات مع خبراء لاشتقاق تمثيلات بصرية تسهل الفهم الفوري لمعلمات المعلومات الأساسية، وتحديدًا معلمات حالة الأهداف المتعددة، ومعلمات نية سلوك الطائرات بدون طيار، ومعلمات حالة الهدف. شملت إجراءات التجربة التحضير قبل التجربة، ومرحلة اختبار رسمية استمرت حوالي 40 دقيقة، وجمع بيانات ما بعد التجربة، حيث قام المشاركون بتقييم عبء العمل المعرفي لديهم باستخدام مقياس NASA-TLX.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة فعالية تصميمات الواجهة الحدسية في تعزيز الأداء أثناء المهام المتعلقة بنظم المعلومات المعقدة. شملت التقييمات بيانات متعددة الوسائط، بما في ذلك مقاييس الأداء السلوكي، ومسارات حركة العين، ومؤشرات تخطيط الدماغ الكهربائي. تشير النتائج إلى أن الواجهات الحدسية تقلل بشكل كبير من العبء المعرفي وتحسن كفاءة اكتساب المعلومات، لا سيما في مهام استعلام معلمات الحالة المتعلقة بالطائرات، ومستوى التهديد، ونوع الصواريخ. على وجه التحديد، أدت الواجهة الحدسية إلى تقليل متوسط زمن الاستجابة (F(1, 29) = 1451.570، p < 0.001، جزئي η² = 0.980)، مع تحسينات ملحوظة تحت ضغط المعلومات المنخفض والمتوسط، حيث كانت تخفيضات متوسط زمن الاستجابة 767.04 مللي ثانية و414.24 مللي ثانية، على التوالي. أكدت بيانات تتبع العين هذه النتائج، حيث كشفت عن عدد أقل من نقاط التركيز (M = 15.420، SE = 0.107) وأوقات تركيز أقصر (M = 290.114 مللي ثانية، SE = 1.742)، مما يشير إلى تحسين كفاءة البحث البصري. تم ملاحظة أكبر التحسينات بالنسبة لمعيار مستوى التهديد، الذي أظهر تقليل زمن الاستجابة بمقدار 1354.82 مللي ثانية وسعة P300 أقل (t(29) = 4.12، p < 0.001، d لكوهين = 0.75)، مما يدل على توافق أفضل مع توقعات المستخدمين المعرفية للمعلومات العاجلة. ومع ذلك، مع تصاعد ضغط المعلومات، تضاءلت مزايا الواجهة الحدسية، لا سيما تحت ظروف العبء المعرفي العالي، حيث لم تُلاحظ اختلافات كبيرة في مقاييس التركيز (p > 0.05). وهذا يشير إلى أنه بينما تكون الواجهات الحدسية مفيدة في سيناريوهات العبء المعرفي المنخفض إلى المعتدل، فإن فعاليتها مقيدة بتعقيد المهام في البيئات ذات العبء العالي.
المناقشة
في قسم المناقشة من هذه الورقة البحثية، يوضح المؤلفون الإطار النظري الذي يستند إليه دراستهم، والذي يعتمد على نظرية التفاعل الحدسي. تفترض هذه النظرية أن تصميم التفاعل الفعال يستفيد من المعرفة المسبقة للمستخدمين—سواء كانت غير واعية أو واعية—مما يسهل الانخراط السلس دون الحاجة إلى التفكير الواعي. يشير المؤلفون إلى استمرارية التفاعل الحدسي لبلكلر ونظرية مخطط الصورة لهيرتين كنظريات أساسية. تصنف إطار بلكلر معرفة المستخدمين إلى استمرارية تتراوح من الغرائز البيولوجية الفطرية إلى الرموز المشتركة ثقافيًا، مما يبرز أن التصميم الحدسي يجب أن يتماشى مع مستويات المعرفة المحددة للمستخدمين لتعزيز كفاءة التفاعل. تعزز نظرية هيرتين هذا الفهم من خلال تحديد مخططات الصور كنماذج معرفية أساسية مستمدة من التفاعلات الفيزيائية المبكرة، والتي يمكن تنشيطها من خلال تصميم الواجهة المناسب.
لتشغيل مفهوم “الحدسية”، يترجم المؤلفون المفاهيم النظرية إلى معايير تصميم قابلة للتنفيذ مصممة خصيصًا لمعلمات المعلومات المحددة، مثل الحالة، والنية، والوضع. يتم توضيح هذا التعريف التشغيلي من خلال جدول رسم خرائط يربط بين خيارات التصميم ومستويات المعرفة المعرفية للمستخدمين، بهدف زيادة تنشيط المعرفة السابقة. تشير نتائج الدراسة إلى أن الواجهات الحدسية تعزز بشكل كبير كفاءة استرجاع المعلومات، لا سيما تحت أعباء المعلومات المنخفضة إلى المعتدلة، على الرغم من أن فعاليتها تتناقص مع زيادة تعقيد المهام. تؤكد هذه البحث على أهمية توافق عناصر التصميم مع الأطر المعرفية للمستخدمين لتعزيز التفاعلات الحدسية في واجهات الإنسان والآلة.
القيود
تظهر تصميم التجربة في الدراسة صلاحية داخلية قوية من خلال التحكم الفعال في المتغيرات، مما يبرز فوائد الواجهات الحدسية ضمن بيئة محكومة. ومع ذلك، يعترف المؤلفون بالقيود المتعلقة بإمكانية تعميم نتائجهم، مشيرين إلى أن النتائج قد لا تمتد إلى ما وراء الظروف المحددة للتجربة.
تشمل القيود الرئيسية احتمال نقص الصلاحية البيئية، حيث قد لا تعكس البيئة المحكومة التطبيقات الواقعية بدقة. بالإضافة إلى ذلك، قد لا تأخذ الدراسة في الاعتبار تجارب المستخدمين المتنوعة أو السياقات المختلفة التي يتم فيها استخدام الواجهات الحدسية. تؤكد هذه القيود على الحاجة إلى أبحاث مستقبلية لاستكشاف قابلية تطبيق النتائج عبر إعدادات وسكان مختلفين، مما يعزز فهم الواجهات الحدسية في سياقات أوسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35017-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491864
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Jue Qu et al.
Primary Topic: Human-Automation Interaction and Safety
Overview
This study addresses the challenges of high cognitive load and low information perception efficiency in complex information system interfaces used in manned/unmanned cooperative operations. It proposes an interface optimization method grounded in the intuitive interaction paradigm, which involves creating a three-dimensional information architecture that incorporates state parameters of multiple target types, UAV behavioral intent parameters, and target situational parameters. An intergroup control experiment was conducted using a simulated battlefield mission to compare traditional and intuitive interfaces, measuring operators’ behavioral performances (response time, correctness rate), oculomotor characteristics (fixation hotspots, scanning paths), and electroencephalographic signals (P300 amplitude and latency) through multimodal data fusion analysis.
The results indicated that the intuitive interface significantly enhanced situational awareness, operational efficiency, and task effectiveness, as evidenced by lower NASA-TLX cognitive load scores (p=0.003) compared to the traditional interface. The study suggests several design methods for complex information system interfaces: (1) using dynamic highlighting to encode multi-target state parameters to improve tracking accuracy, especially when a single-information carrier contains three or fewer intuitive elements; (2) differentiating UAV intent parameter designs based on semantic features, employing flicker cues and color stereotype encoding to expedite intent recognition; and (3) implementing a local-global dynamic mapping mechanism for target situation parameters, utilizing iconized presentations to reduce fixation dwell time relative to textual descriptions. These findings provide foundational insights for future interface design in human-machine cooperative systems within dynamic, high-stakes environments.
Introduction
The introduction of the paper discusses the challenges faced in manned/unmanned cooperative operations, particularly in the context of rapidly evolving information systems. As these operations become increasingly complex, the ability to quickly identify critical information and make efficient decisions is paramount. The reliance on human-computer cooperative battle information systems is highlighted, with a focus on the potential for intuitive interaction technologies to enhance the efficiency of warfighters in processing complex information and mitigating issues related to information overload.
The paper reviews existing research on intuitive interaction design, which integrates insights from psychology and human factors engineering, and emphasizes its nascent stage in practical applications. Key contributions from various research teams are noted, including the development of intuitive interaction theories and methodologies aimed at reducing cognitive load and improving interface comprehension. The authors identify three specific scenarios within manned/unmanned operations—target reconnaissance, strike-interception, and jamming decoys—where critical parameters must be swiftly perceived. They propose three research questions aimed at evaluating the effectiveness of intuitive interfaces compared to traditional designs, assessing cognitive load, and establishing design criteria for different parameter types in military contexts. The study aims to conduct a comparative experiment to validate the benefits of intuitive interaction in enhancing operational performance and reducing cognitive load in simulated combat scenarios.
Methods
In this study, an experimental investigation was conducted to explore the efficient perception mechanisms underlying intuitive interaction in interface design. The experiment involved 30 male participants, aged 24 to 30, all of whom were cadets or active-duty officers from the Air Force Engineering University. Participants were selected to ensure a uniform military background and were naive to the specific simulated interface used, thus minimizing bias from prior experience. The study adhered to ethical standards, with informed consent obtained and pre-experimental conditions established to ensure participant readiness.
The experimental setup utilized a laboratory-based manned/unmanned collaborative combat simulation system, where participants engaged in information query tasks while seated approximately 70 cm from a 24-inch display. Data collection encompassed behavioral metrics, eye movement tracking, and EEG recordings, employing a decision-level multimodal data fusion approach. The design of the intuitive interfaces was grounded in theoretical frameworks, including Blackler’s Intuitive Interaction Continuum and Hurtienne’s Image Schema theory, which guided a systematic three-stage design process. This process involved expert interviews to derive visual representations that facilitate immediate understanding of core information parameters, specifically multi-target state parameters, UAV behavioral intention parameters, and target situation parameters. The experimental procedure included pre-experiment preparation, a formal testing phase lasting approximately 40 minutes, and post-experiment data collection, during which participants assessed their cognitive load using the NASA-TLX scale.
Results
The results of this study demonstrate the effectiveness of intuitive interface designs in enhancing performance during complex information system tasks. The evaluation incorporated multimodal data, including behavioral performance metrics, eye movement trajectories, and EEG indicators. Findings indicate that intuitive interfaces significantly reduce cognitive load and improve information acquisition efficiency, particularly in state parameter query tasks related to aircraft, threat level, and missile type. Specifically, the intuitive interface led to shorter average response times (F(1, 29) = 1451.570, p < 0.001, partial η² = 0.980), with notable improvements under low and medium information pressure, where average response time reductions were 767.04 ms and 414.24 ms, respectively. Eye-tracking data corroborated these findings, revealing fewer fixation counts (M = 15.420, SE = 0.107) and shorter fixation durations (M = 290.114 ms, SE = 1.742), suggesting enhanced visual search efficiency. The most significant improvements were observed for the threat level parameter, which exhibited a response time reduction of 1354.82 ms and a lower P300 amplitude (t(29) = 4.12, p < 0.001, Cohen's d = 0.75), indicating a better alignment with users' cognitive expectations for urgent information. However, as information pressure escalated, the advantages of the intuitive interface diminished, particularly under high cognitive load conditions, where no significant differences in fixation metrics were observed (p > 0.05). This suggests that while intuitive interfaces are beneficial in low to moderate cognitive load scenarios, their effectiveness is constrained by task complexity in high-load environments.
Discussion
In the discussion section of this research paper, the authors elaborate on the theoretical framework underpinning their study, which is grounded in Intuitive Interaction Theory. This theory posits that effective interaction design leverages users’ pre-existing knowledge—both subconscious and conscious—facilitating seamless engagement without necessitating conscious thought. The authors reference Blackler’s Intuitive Interaction Continuum and Hurtienne’s Image Schema Theory as foundational theories. Blackler’s framework categorizes users’ knowledge into a continuum that ranges from innate biological instincts to culturally shared symbols, emphasizing that intuitive design must align with users’ specific knowledge levels to enhance interaction efficiency. Hurtienne’s theory further enriches this understanding by identifying image schemas as core cognitive patterns derived from early physical interactions, which can be activated through appropriate interface design.
To operationalize the concept of “intuitiveness,” the authors translate theoretical constructs into actionable design criteria tailored to specific information parameters, such as state, intention, and situation. This operational definition is illustrated through a mapping table that aligns design choices with users’ cognitive levels, aiming to maximize the activation of prior knowledge. The study’s findings suggest that intuitive interfaces significantly enhance information retrieval efficiency, particularly under low to moderate information loads, although their effectiveness diminishes as task complexity increases. This research underscores the importance of aligning design elements with users’ cognitive frameworks to foster intuitive interactions in human-machine interfaces.
Limitations
The study’s experimental design demonstrates strong internal validity through effective variable control, highlighting the benefits of intuitive interfaces within a controlled setting. However, the authors acknowledge limitations regarding the generalizability of their findings, suggesting that the results may not extend beyond the specific conditions of the experiment.
Key limitations include the potential lack of ecological validity, as the controlled environment may not accurately reflect real-world applications. Additionally, the study may not account for diverse user experiences or varying contexts in which intuitive interfaces are employed. These limitations underscore the need for future research to explore the applicability of the findings across different settings and populations, thereby enhancing the understanding of intuitive interfaces in broader contexts.