知乎日报

每日提供高质量新闻资讯

头图

把衣架套头上,头就会不自觉转动?

Scottslm / CC0

衣架套头头会不自觉转动是真的吗,为什么?

李Def,四非大学本科生

是真的,请往下看。

稍微查了查,是有相关调查的,做的调查研究最多的是日本电气通信大学(The University of Electro-Communications)的 Kajimoto Laboratory,简单看了看他们几篇相关 paper(甚至还有一篇没有英文是纯日语,用翻译软件看得我直呼难受),特此来答一答。

这个现象现在被他们称为 Hanger Reflex,中文翻译过来应该叫做叫做“衣架反射”,其实这个现象早在 1991 就被发现并发表了[1],但是原理的研究却滞后了很多。以下用英文首字母简写 HR 代表该现象。

首先说结论,这个现象是对大多数人都能适用的普遍现象(120 人中 85.4% 的发生率[2]),引发原因根据我看的 paper 来说,他们相信这是一个感官错觉(sensory illusion)而不是 sensory trick(不知道怎么翻译,感官欺骗?不是一个意思吗?)[3]感官错觉,这也是我们大多数人愿意相信的一个结论,具体内容可以接下去看,内容有点长,主要包含三篇 paper 的总结,如果想看最终结论的论证可以跳到Part II。以下内容的图片若没有特别说明皆来自对应 paper。


Part I

首先,他们在 2008 年就开始做这个 HR 现象的调查研究了[4],他们先是调查什么条件可以引起什么结果(衣架的放置位置,衣架接触皮肤力的大小方向与转头的方向关系)。他们设置四种情况,分别是

  1. 衣架钩子在右边,转头方向往左边
  2. 衣架钩子在左边,转头方向往左边
  3. 衣架钩子在左边,转头方向往右边
  4. 衣架钩子在右边,转头方向往右边

如图

四种情况

每种情况进行五次实验,测量了衣架与头部皮肤接触的压力(pressure)并取平均值,结果如下图(观察视角与上图一样)

四种情况的结果

可以看出每幅力分布图都有着三个力峰值(pressure peak)存在。

他们发现,当头往左转的时候,在头部的左前区域(left frontal temporal region)和右后区域(right occipital temporal region)存在力峰值。他们推测转头的方向不是右钩子的位置决定的,而是力峰值的位置决定的,并且他们推测三个力的峰值里面只有两个是起决定性作用的(two pressure peaks might play central role),于是简化实验,把衣架折成了一个菱形的衣架,如下图

菱形衣架

他们重新设计了实验,只分有两种情况:1)头往左转,2)头往右转,实验过程类似,结果如下

用菱形衣架后的实验结果

可以明显看出,头往左转时,是在头部的左前区域(left frontal temporal region)和右后区域(right occipital temporal region)存在力峰值;头往右转时正好相反。并且因为重新折弯的衣架力度更弱,所以可以说明很小的力也可以引起 HR 现象。

接着,他们又做了一个实验,想知道哪个力峰值有着更大的影响,于是利用了一块塑料挡板挡住其中一个力,如下图

用塑料板挡住其中一个力

设置四种情况——力分别作用在左前,右后,右前,左后,如图

实验结果如下表,其中左栏条目代表被测试人员,右栏条目分别是力作用在左前,右后,右前,左后,红色 L 代表头往左转,蓝色 R 代表头往右转,* 表示一开始头没有转,重新调整后头转了。

结论与之前吻合,且发现力作用在前部会比作用在后部效果更好。

之后,他们又决定自己做一套装置代替衣架,以证明这个结论可以推广,不只是在衣架上面起作用,具体在 2009 年的这篇 paper[5],做出来的东西是这样

由于这篇 paper 主要在讲装置的设计,所以可以不深入,想要快速知道内容可以看相应视频。


Part II

根据这篇 paper(日语,用的翻译软件读的,可能理解会偏差,以下内容我有不确定的皆会结合日语原文和我的理解翻译,如果有懂日语的伙伴看到有误可以帮忙指正,并且 PDF 链接已给出)[7]

他们首先对 8 位成年人(6 男 2 女)做了一个实验:蒙着被实验者的眼睛对他们套上衣架,并询问他们两个二选一的问题:

  1. 关于头部旋转力的来源
    1. 头部因某种旋转外力而转动
    2. 靠自己的力量转动脑袋
  2. 关于运动的主体
    1. 虽然不是自己的意思,但头转了
    2. 按照自己的意思转动头脑

最终结论如下:

实验结束后的问卷调查的目的是调查衣架反射对力觉的影响。前提是衣架只对头部接触,所以只要衣架对头部不动,就不会产生使头部旋转的物理力。但是,由于衣架反射对力觉的影响而产生头部旋转的情况下,佩戴者有可能产生某种力的错觉。这里,调查了头部旋转主观上是否靠自己的力量,是否靠自己的意志。结果,8 名被调查者中有 7 名被调查者报告了外力的知觉,5 名被调查者报告了头部旋转,但不是自己的意志驱使的
根据以上的结果,衣架反射被认为不是对位置觉的影响,而是对力觉的影响。另外,如上所述,实际上不存在如被实验者报告的力,因此可以认为这是由错觉引起的力的知觉

日文原文:

実験終了後のアンケートはハンガー反射の力覚への影響を調査することを目的とした。前提としてハンガーは頭部に対してしか触れていないため、ハンガーが頭部に対して動かない限り頭部を回転させる物理的な力は発生しない。しかしながらハンガー反射が力覚へ影響することで頭部回旋が生じていた場合、装着者は何らかの力を錯覚している可能性がある。ここでは頭部回旋が主観的には自己の力によるものか否か、また自身の意志によるものか否かを調べた。結果として、8 名中 7 名の被験者が外力の知覚を報告し、また5 名の被験者が自身の意志ではない頭部回旋を報告した。
以上の結果よりハンガー反射は位置覚への影響によるものではなく力覚への影響によるものであると考えられる。また前述のとおり実際には被験者が報告したような力は存在しないため、これは錯覚による力の知覚であると考えられる。

然后终于到了关键性的原理解释部分了

Part II 图 3
当发生衣架反射时,通常会看到皮肤在剪切方向上变形。在这里,建立了以下模型来研究头套衣架时皮肤剪切导致的头部旋转机制(图 3)。 同样,在此模型中,为简化起见,吊架显示为椭圆形,与头部两点接触。

我觉得“吊架”应该是“衣架”的意思。

(1)人的头部前后都有一个长椭圆形,日本人的头部宽度和头部长度统计数据很少显示出较长的头部宽度(小于或等于 1%)。 您可以认为头部在前后都很长。

这里应该是说头是一个椭圆形。

(2)当前部头部和对侧背部受压时,施加在头部上的力不会相反。 压力始终沿头部的法线方向(图 3a)。 因此,反向压力不能成一直线,并且此时不能作为内力完成。
(3)旋转力施加到吊架上两个不相向的力产生旋转力矩。 如图 3b 右侧所示,当头部和吊架的长轴和短轴彼此重合时,该旋转力消失。

也就是两个力不在一条直线上,即使大小相等方向相反也会产生旋转力矩。不考虑皮肤摩擦力阻碍衣架的话衣架会自动旋转直至平衡。

(4)实际上,衣架几乎不旋转,因为摩擦力作用在衣架和皮肤之间,所以实际上在旋转力的方向上发生了少量的皮肤变形,并且头部和衣架之间的位置关系稳定( 图 3c)。
(5)类似于当施加外旋转力时的皮肤变形如图 3d 所示,此时的皮肤变形与当对头部施加外外力时的皮肤变形相同,这导致对皮肤感觉的外力。 被察觉。
(6)头部根据感知到的外力而旋转尽管总是将外力施加为感知,但是实际力并不直接使头部旋转。 有助于头部旋转的宫颈肌肉不会察觉到外力,并且不会发生与实际外力相反的反射。 结果,头部根据皮肤感觉不断感知到的外力旋转(图 3e)。

但是衣架因为皮肤摩擦力的存在不会旋转,但是皮肤会产生有外力作用的感觉,想要通过转头进行力的平衡(虽然力其实是平衡的)。

日文原文:

ハンガー反射の発生時、皮膚がせん断方向に変形するこ とはしばしば見られ、ここではハンガー装着の際の皮膚せ ん断発生ら頭部回旋の機序について以下のようなモデル を立てた(図 3)。またこのモデルでは簡略化のためにハン ガーを頭部に対し2 点で接する楕円状のもので示している が、これまでの研究により同様の形状にハンガーを加工し てもハンガー反射が生じることを確認している
(1)ヒトの頭部は前後に長い楕円である 日本人の頭幅、頭長の統計では頭幅の方が長いケースは ほとんど見られず(1%以下[6])、基本的に人の頭部は前後 に長いと考えてよい。
(2)前側頭部と対側後方を圧迫する際、頭部へ掛かる力 は対抗しない ハンガー反射の条件に従って前側頭部とその対側を圧 迫した際、頭部が楕円であるモデル下では常にその圧力は 頭部の法線方向へかかる(図 3a)。そのため向かい合う圧 力は本来一直線上に存在できず、この時点では内力として 完結しない。
(3)ハンガーに回転力がかかる 対抗しない2 つの力は回転モーメントを生む。この回転 力は図 3b 右のように頭部とハンガーの長軸・短軸が一致 した時点で消失する。
(4)実際にはハンガーはほとんど回らない ハンガーと皮膚の間に摩擦力が働いているため、実際に は回転力方向に少量の皮膚変形を生じて頭部とハンガー の位置関係は安定する(図 3c)。
(5)回転外力が加わった時と同様の皮膚変形を生じる 図 3d のように、この時の皮膚変形は頭部に回転外力が 加わった時と同様のものになり、これにより皮膚感覚では 外力が知覚される。
(6)知覚した外力に従って頭部が回旋する 知覚としては常に外力が加わった状態になるが、実際に は直接頭部を回旋させる力はかかっていない。頭部回旋に 寄与する頸部筋では外からの力は知覚されず、実際の外力 に対向する反射等は発生しない。結果的に頭部は皮膚感覚 で定常的に知覚される外力に従って回旋する(図 3e)。

所以最终结论就是——感官错觉(sensory illusion),其实力是平衡的,但是我们人感觉到有外力在驱使着头部转动。


最后,这个现象同时也拿来做应用,医疗方面比较多,比如治疗颈肌张力异常症(Cervical Dystonia or CD)[3],也拿来做残障人士的导航。