注意力是人类神经和认知活动的基础，有效的注意力控制能力是进行信息感知和运动控制的基础。在各类注意力控制能力中，专注力是核心，其含义是人对于一个刺激源持续关注或专注执行一件任务，而忽略外在环境干扰的能力。在专注状态下，人的注意力在短时间内全部集中在一件事情上，会忽略周围环境的其他事物，甚至忽略时间的流逝。
这种专注状态在儿童时期较为常见，随着年龄成长，专注力逐渐衰减，原因是人类需要处理大量信息并进行多任务并行处理，以适应生活中的各类挑战乃至危险。据统计，人在日常生活工作中有50%的时间会不由自主地分心，处于注意力涣散状态。
训练和提高注意力在很多领域都有着迫切需求。一个典型的例子是针对注意缺陷障碍（ADD）人群，其主要症状是频繁地不自觉走神，不能自主控制集中注意力的时间和场合。由于环境、教育等因素，ADD的发病率有逐年增高的趋势。据统计，中国内地学龄儿童中ADD和多动症患病率为4.31%~5.83%，估计患儿超过1461万，约65%的患儿症状会持续到成年，其继发或共患破坏性行为障碍及情绪障碍危险性高，成年期的物质依赖、反社会性人格障碍和违法犯罪的风险是一般人群的5至10倍。此外，对于在高压力和紧张环境下工作的人群（如战斗机飞行员），专注力是心理素质训练的核心内容。在紧张的空战中，飞行员需要高度集中注意力，快速处理大量信息，得出正确决策，以保证作战任务质量和飞行安全，瞬间的注意力涣散将可能导致灾难性的后果。
是否能够通过某些训练，让人具备调节或者驾驭专注力的能力，在做一件事时做到“心无旁骛”，是认知神经科学研究的热点问题。《美国科学院院刊》报道了多项关于冥想对于人的注意力和其他认知能力的研究，其方法是让被训者将全部注意力集中在对自己身体感觉的体验，例如呼吸的节奏。通过数月到数年的持续训练，可以提高被训者的专注力。采用冥想进行注意力训练的优点是具有较好的泛化能力，即训练结果可以迁移到各类认知活动中去，且学者基于神经影像学的证据初步解释了冥想训练的神经机理。但冥想训练的周期一般需要长达几个月乃至很多年，初学者往往缺乏足够的耐心去学习和掌握练习的基本要求。此外，还有一些学者的研究通过视觉和听觉通道的刺激来训练人的注意力，例如2013年发表在《自然》上的一篇文章发现，视频动作游戏可以提高老年人的多项认知能力。
鉴于听觉和视觉刺激对注意力的调控效果，我们联想到，是否可以利用力触觉刺激来进行大脑信号调控呢?触觉被称为各种感觉之母，在所有人类活动中不可或缺，温度、硬度、形状、表面纹理等信息，都必须通过触摸来感知。神经科学研究表明，与力触觉信号密切相关的运动区和体觉区在大脑皮层内拥有最大面积，神经系统和皮肤有着密切联系，处于母体子宫中发育的人体胚胎的外胚层形成了神经系统和皮肤。目前已有的注意力调控方法都没有利用人天然具有的力触觉能力（包括力触觉信号感受能力和运动/力控制能力），人的手脑互动的机制被闲置。基于上述分析，我们推测利用力触觉激励信号进行大脑状态调控将具有很大潜力。基于力触觉通道的注意力训练是否能够达到类似的调控效果，甚至超越视听觉通道的训练效果?
由此引出一个科学问题：是否能够通过精确力控制任务，来训练和提高人的专注力?为此，我们设计了难度自适应变化的精细力控制任务，来训练人的注意力。此外，采用了3个注意力测试任务来测量被试者训练前后注意力能力的变化。我们招募了40名被试者，随机分配为4组，开展了为期5天的训练。实验数据表明，触力觉通道反馈下的精确力控制任务能够提升注意力，而且这种注意力控制能力可以迁移到与触觉无关的各类注意力控制任务中，包括视觉分辨、数学计算和视觉搜索等。
触觉反馈下的精确力控制训练任务
如图1所示，在触力觉训练任务中，被试者左右手分别抓持一个力觉交互设备的末端手柄。该设备具有力觉测量和力觉反馈功能。要求被试者控制右手的设备手柄来精确按压一个虚拟平面。如果压力在预设的幅值误差范围内，则被试者的左手会感觉到一个振动信号；如果压力偏大，被试者的左手会感觉到一个向上的推力；如果压力偏小，被试者的左手会感觉到一个向下的推力；如果压力控制满足预设误差要求，而且该力持续2秒，则成功完成一次训练。
完成一次训练后，被试者需要抬起右手的手柄，以开始下一次训练，即重新按压虚拟平面，此时按压的目标力幅值将会发生变化（幅值在1~2牛顿之间随机变化），而且按压力的期望误差值也随之变化。如果上一次训练中操作总时间小于4秒，则增大任务难度，即减小力的误差阈值；否则，就减小任务难度。上述自适应的策略使训练任务难度始终和被试者的操作水平相匹配。80组训练构成一个训练单元。每天早晚各训练一个单元，连续5天，共训练10个单元。
上述训练的特点是人的视觉和听觉通道都被屏蔽，完全依赖触力觉通道进行感知和操作。这样能让人在训练过程中更专心，排除外界环境的干扰。在冥想训练中，人需要闭上眼睛，在一个安静的环境中，也是为了屏蔽视觉和听觉通道的影响，专心体验自己的呼吸。我们的训练设计就借鉴了这个思想。
注意力测试任务
在注意力测量任务中，我们设计了基于Gabor图片的分辨测试、快速数字搜索运算、Schulte方格快速点击等3个任务（如图2所示），来测量被试者控制自己不分心的能力。这些任务的目的是测量被试者是否能够时刻专注在测量任务中，只要被试者在测试中出现分心，就会降低测试得分。
我们将40个被试者随机分配为4组。A组接受连续5天10个单元的自适应难度的精细力控制训练任务，同时接受第1天和第5天的注意力测试任务。B0组作为被动对照组，不接受训练，只接受第1天和第5天的注意力测试。B1组接受固定难度的力控制训练任务，B2组接受自适应难度的精细位置控制训练任务。
实验结果
实验结果如图3所示。图中纵坐标代表每组被试者前后两次注意力测试成绩的提高量。其中舒尔特测试纵坐标代表测试耗时的变化量。结果表明，只有A组的10个人第5天的注意力测试成绩比第一天有明显提升，其他3组人的成绩没有显著变化。由此推断，自适应难度的精细力控制训练任务能够有效地提升人的专注能力，而固定难度的力控制任务以及自适应难度的运动控制任务则不能有效提升这些认知能力。
依据该结果，可以研制基于触力觉精细操作任务的专注力训练方法和虚拟现实游戏。被试者只须每天训练15分钟，坚持若干天，即能够有效提升短时间内聚精会神的能力（大约10分钟）。研究结果有望用在ADD、早期老年性痴呆的预防等方面；此外，对于特殊人群也具有实用价值，例如运动员在重要比赛的关键时刻保持短时聚精会神的能力，或飞行员在关键飞行任务中的短时专注能力训练等。
本成果已在《IEEE触觉论汇刊》发表。
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