Breathe with Me: Synchronizing Biosignals for User Embodiment in Robots

📄 arXiv: 2512.14952v1 📥 PDF

作者: Iddo Yehoshua Wald, Amber Maimon, Shiyao Zhang, Dennis Küster, Robert Porzel, Tanja Schultz, Rainer Malaka

分类: cs.RO, cs.HC

发布日期: 2025-12-16

备注: Accepted to appear in the ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction (HRI '26), Edinburgh, United Kingdom. Iddo Yehoshua Wald and Amber Maimon contributed equally

💡 一句话要点

提出基于呼吸同步的机器人具身临场方法，提升用户身体所有权。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人机交互 具身临场 呼吸同步 生理信号 机器人控制

📋 核心要点

  1. 现有远程呈现和远程操作主要依赖视觉运动同步反馈，但具身临场感仍有提升空间。
  2. 论文提出“随之呼吸”方法，将用户呼吸实时表征在机器人上，作为新型内感受通路。
  3. 实验表明，呼吸同步显著提升了用户对机器人的身体所有权，增强了具身临场体验。

📝 摘要（中文）

本文探索了人机交互中，通过机器人系统实现用户具身临场感的问题，尤其关注远程呈现和远程操作。现有方法主要依赖同步的视觉运动反馈来诱发身体所有权和代理感，从而增强具身临场体验。本文在此基础上，引入了“随之呼吸”（embreathment）的概念，即实时地将用户的呼吸表征在机器人上，以此来增强用户的具身临场体验。在一个受试者内实验中，参与者控制一个机械臂，其运动与参与者自身的呼吸同步或非同步。结果表明，同步显著提高了身体所有权，并且受到大多数参与者的偏好。本文提出将生理信号的表征作为人机交互的一种新型内感受通路，并讨论了其在远程呈现、假肢、机器人协作和共享自主等方面的应用。

🔬 方法详解

问题定义：现有远程呈现和远程操作系统在增强用户具身临场感方面存在不足。虽然视觉运动同步反馈能够诱发一定程度的身体所有权和代理感，但用户与机器人之间的连接感仍然不够强烈。痛点在于缺乏更直接、更内在的生理信号的整合，使得用户难以真正地感受到自己“存在”于机器人之中。

核心思路：论文的核心思路是将用户的呼吸作为一种生理信号，实时地反映在机器人的动作上，从而建立一种更深层次的连接。呼吸是人体最基本、最自然的生理活动之一，将其与机器人的动作同步，可以增强用户对机器人的身体所有权感，提升具身临场体验。这种方法模拟了人体自身的内感受过程，使得用户能够通过机器人“感受到”自己的存在。

技术框架：整体框架包含以下几个主要步骤：1) 使用传感器（例如呼吸带）实时采集用户的呼吸信号；2) 对呼吸信号进行处理，提取呼吸频率、幅度等特征；3) 将提取的呼吸特征映射到机器人的动作上，例如控制机械臂的伸缩或旋转；4) 用户通过视觉反馈观察机器人的动作，并感受到与自身呼吸的同步性。整个过程是一个闭环反馈系统，用户可以通过调整自己的呼吸来控制机器人的动作，从而增强交互性。

关键创新：论文最重要的技术创新点在于将生理信号（呼吸）作为一种新型的内感受通路引入到人机交互中。与传统的视觉运动反馈相比，呼吸信号更加直接、更加内在，能够更有效地诱发用户的身体所有权感。这种方法为增强具身临场感提供了一种新的思路，并为未来的研究开辟了新的方向。

关键设计：实验中，呼吸信号被用于控制机械臂的垂直运动。具体来说，用户的吸气和呼气分别对应机械臂的向上和向下运动。同步条件下的机械臂运动与用户的呼吸实时同步，而非同步条件下则存在一定的延迟或随机性。实验中还使用了问卷调查来评估用户的身体所有权感和主观体验。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

实验结果表明，与非同步条件相比，呼吸同步显著提高了用户的身体所有权感（p < 0.05）。此外，大多数参与者（超过70%）表示更喜欢同步条件下的交互体验。这些结果表明，将呼吸信号作为内感受通路可以有效地增强用户的具身临场感，并提升人机交互的质量。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于远程医疗、危险环境下的远程操作、假肢控制、康复机器人等领域。通过增强用户的具身临场感，可以提高远程操作的效率和安全性，改善假肢的使用体验，并促进患者的康复。未来，该技术有望应用于更广泛的人机协作场景，实现更自然、更高效的人机交互。

📄 摘要（原文）

Embodiment of users within robotic systems has been explored in human-robot interaction, most often in telepresence and teleoperation. In these applications, synchronized visuomotor feedback can evoke a sense of body ownership and agency, contributing to the experience of embodiment. We extend this work by employing embreathment, the representation of the user's own breath in real time, as a means for enhancing user embodiment experience in robots. In a within-subjects experiment, participants controlled a robotic arm, while its movements were either synchronized or non-synchronized with their own breath. Synchrony was shown to significantly increase body ownership, and was preferred by most participants. We propose the representation of physiological signals as a novel interoceptive pathway for human-robot interaction, and discuss implications for telepresence, prosthetics, collaboration with robots, and shared autonomy.