《Frontiers in Human Neuroscience》：Empathy-related individual differences in brain responses to robot and human pain
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摘要
引言：机器人在各类社会场景中的应用日益增多，共情已成为人机交互（HRI）研究的重点之一。尽管已有研究表明，对机器人的明确疼痛表现会产生神经激活，但以往研究多采用有限的人类与机器人刺激材料，人类如何感知更广泛的面部表情仍不明确。
方法：本研究采用功能性近红
摘要
引言：机器人在各类社会场景中的应用日益增多，共情已成为人机交互（HRI）研究的重点之一。尽管已有研究表明，对机器人的明确疼痛表现会产生神经激活，但以往研究多采用有限的人类与机器人刺激材料，人类如何感知更广泛的面部表情仍不明确。
方法：本研究采用功能性近红外光谱（fNIRS）及多样化的人类与机器人面部刺激，探讨人类对机器人疼痛共情的神经关联。研究1通过在线调查（N=63名成人）识别并验证机器人疼痛的细微表现照片刺激。研究2中，39名成人完成fNIRS任务，观看并评估人类和机器人在疼痛接触与中性条件下的照片。
结果：研究1发现，疼痛接触条件刺激成功诱发了预期情绪。研究2中，人类疼痛与机器人疼痛的神经反应无显著差异，但行为上对接触条件和面部条件均表现出敏感性。神经影像分析还表明，自我导向共情的个体差异与对人类和机器人疼痛的神经激活有关。
讨论：本研究有助于理解自我报告共情个体差异在塑造机器人疼痛神经反应中的作用，并强调根据用户的情感和共情反应定制HRI的重要性。尽管行为疼痛评分存在显著差异，但未发现人类疼痛刺激与机器人疼痛刺激的神经反应存在显著差异的证据。这表明大脑与行为之间存在差异，需要进一步探究。
论文解读
研究背景与意义
随着社交机器人在医疗、教育、客服等领域的广泛应用，人类与机器人的互动已从简单的功能协作转向复杂的情感交互。共情作为人际互动的核心心理机制，其在人机交互（HRI）中的作用日益受到关注。然而，现有研究存在明显局限：一方面，多数神经影像研究使用的刺激材料单一（如仅关注机械臂或特定外观的机器人），难以反映现实中多样化的机器人形态；另一方面，人类对不同类型机器人疼痛的感知是否存在神经层面的差异，以及个体共情特质如何影响这种神经反应，仍是未解之谜。发表于《Frontiers in Human Neuroscience》的这项研究，正是为了填补这些空白——通过开发多样化的面部刺激材料，结合fNIRS技术，首次系统探讨人类共情特质与机器人疼痛神经反应的关联，为优化社交机器人设计提供科学依据。
关键技术方法
研究采用两阶段设计：首先通过在线调查（N=63）开发与验证刺激材料，随后开展fNIRS神经影像实验（N=39）。刺激材料涵盖10张人类面部（来自NimStim数据集，包含不同性别、种族）和10张机器人面部（来自ABOT数据库，筛选具人类特征的头部图像），通过Photoshop添加针头（疼痛接触）或棉签（愉快接触，后因验证失败弃用）进行视觉操纵。fNIRS实验采用8×8前额叶蒙太奇（20个通道），记录氧合血红蛋白（HbO）与脱氧血红蛋白（HbR）信号，数据经重采样、运动校正（PCA滤波）和一般线性模型（GLM）分析，结合重复测量方差分析与皮尔逊相关检验个体差异的影响。
研究结果
研究1：刺激材料的开发与验证
通过自由联想词分析与NRC效价词典评分，研究发现疼痛接触条件成功诱发负面情绪词（如“疼痛”“恐惧”），而愉快接触条件因刺激模糊性导致意外负面反应（如“恐惧”“愤怒”），最终仅保留疼痛与中性条件用于后续实验。
研究2：fNIRS实验结果
- 1.
行为数据：重复测量方差分析显示，疼痛条件的疼痛评分显著高于中性条件（F(1,38)=48.22, p<0.001），且人类面部的疼痛评分高于机器人面部（F(1,38)=11.08, p=0.002），但两者无显著交互效应。
- 2.
神经数据：前额叶皮层的HbO与HbR信号在代理类型（人类vs机器人）或条件（疼痛vs中性）间均无显著差异，表明行为层面的共情反应未转化为前额叶的神经激活差异。
- 3.
个体差异分析：个人痛苦量表（IRI子维度）得分与神经反应显著相关——在S3D2通道（左背外侧前额叶皮层，BA46），高个人痛苦者对中性面孔激活较低，对疼痛面孔激活较高（HbO信号，F(1,37)=12.78, p<0.001）；在S4D4通道（内侧前额叶皮层，BA9），高个人痛苦者在人类疼痛条件下HbR信号更低（反映更强激活，F(1,37)=10.82, p=0.002）。
讨论与结论
研究的核心矛盾在于：行为上人类能明确区分人类与机器人的疼痛程度，但前额叶皮层未表现出相应的神经差异。这可能源于前额叶并非疼痛共情的唯一脑区（如颞顶联合区可能参与），或静态图像的细微疼痛线索不足以激活强神经反应。值得注意的是，个人痛苦特质的调节作用揭示了共情个体差异的神经机制——高个人痛苦者对疼痛刺激的调控需求更强（S3D2通道），且在人类疼痛场景中更依赖心理理论加工（S4D4通道）。这些发现提示，未来机器人设计需考虑用户的共情特质：高共情者可能因过度投入情感而产生适应障碍，而低共情者可能需要更明确的情感线索引导。研究不仅深化了对人机共情的神经基础理解，更为个性化社交机器人开发提供了关键实证依据。
