恢復性虛擬自然環境研究進展*
——基于CiteSpace可視化分析

尹程程 李同予 翟長青 薛濱夏 安 欣

哈爾濱工業大學建筑學院寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室 哈爾濱 150000

《2021世界衛生統計報告》指出:人類身心疾病發病率升高，憤怒、焦慮、抑郁等消極情緒會導致肥胖、糖尿病、心血管疾病、內分泌-免疫系統等多種疾病。身心健康問題已成為當代人類快節奏生活下需面臨的巨大挑戰。環境心理學者Kaplan[1]與Ulrich[2]專注于恢復性環境對心理生理復愈效益的研究，分別提出“注意力恢復理論”與“壓力緩解理論”。恢復性自然環境是指對人身心健康具有恢復促進作用的自然環境，對人類健康的積極貢獻已在許多研究中得到檢驗[3]。由于城市化導致自然生境減少，恢復性自然環境成為了城市中的稀缺資源，難以在日常生活中充分接觸，人們迫切希望于日常生活中也能擁有身處自然般的身心體驗，因此，虛擬現實技術為人們自然復愈提供了機會。近年來信息、傳感、網絡和人工智能等技術發展迅速，帶動了智能康復技術發展，國內外已開展諸多利用智能技術進行臨床康復干預與評估的研究應用[4]，虛擬現實技術作為人類健康治療的一種替代手段，被用來引發特定情緒狀態、調節呼吸、改善心率變異性水平、減少疼痛焦慮，提高專注力[5]。虛擬現實的沉浸感、交互性和構想性為用戶提供身臨其境的仿真視景，運用虛擬現實技術搭建人與自然間的橋梁，人們能便利地親近體驗自然，使虛擬自然環境療愈成為緩解各類身心疾病的有效方法，是恢復性虛擬自然環境研究的目的與意義所在。本研究數據來源于Web of science核心合集數據庫，檢索時間為2010—2022年，采用“主題”AND“文獻類型”AND“語種”基本檢索模式，主題詞為恢復性自然環境(Restorative Environment OR Nature OR Forest OR Garden OR Green)、虛擬現實(Virtual Reality OR VR)和康復(Recovery OR Health OR Fitness OR Healing OR Benefit)，使用AND檢索式進行交叉組合檢索，語種為“English”，最后獲取2010—2022年的文獻共335篇，去 除 重 復 得 到 目 標 文 獻95篇。采 用Citespace5.8.R3進行發文量、研究國家地區、發文作者及機構可視化分析，探究國際上此領域研究的國家、集中區域與研究強度，以及權威學者與合作網絡。通過關鍵詞聚類共現與時間線圖譜展現文章研究重點，從時間維度體現關鍵詞演變情況及發展趨勢；通過高中心性關鍵詞(Between Centrality)度量關鍵詞節點重要程度。

1 研究規模

1.1 發文量

如圖1所示:恢復性虛擬自然環境領域研究始于2010年初，至2017年文章數量均較少；2018—2020年文章數量增加，尤其在2020年全球疫情暴發背景下，此領域開始引起學者重視[6-7]；2021年發文量稍有減少，但不足以說明熱度退卻；2022年第一季度內有11篇文章發表。

圖1 2010—2022年虛擬現實恢復性環境發文量變化

1.2 研究國家與地區

研究國家共現圖譜(圖2)表明，研究強度較大的國家依次為英格蘭、美國、中國、德國、意大利、加拿大、瑞典。研究國家時序圖譜(圖3)表明，依次開展研究的國家為加拿大、瑞典、英格蘭、德國、美國、中國。

圖3 研究國家時序圖譜

1.3 發文作者與研究機構

如圖4所示，節點較大的前4名作者為White、Browning、Chirico、Gaggioli。目前作者間主要形成兩個合作網絡，分別以White、Browning為中心，前者進行虛擬自然環境減輕病患治療痛苦體驗方向研究[8]，后者進行虛擬自然環境喚醒積極情緒方向研究[9]。

圖4 發文作者共現圖譜

由圖5可知，影響力較大的研究機構依次是埃克塞特大學、哈佛大學公共衛生學院、哈佛藝術研究生院、伯明翰大學、瑞典卡羅琳學院。目前研究機構間以愛沙尼亞生命科學大學和英屬哥倫比亞大學為中心形成最大合作輻射網絡，第二大合作網絡以瑞典卡羅琳學院為中心。哈佛大學公共衛生學院、哈佛藝術研究生院研究強度分別位列全球第二、三名，聯合波士頓癌癥研究所形成美國本土最大合作網絡。

圖5 發文機構網絡共現圖譜

2 研究熱點

2.1 關鍵詞分析

由表1可知:環境、焦慮、壓力恢復、森林、健康等詞為近年熱點詞匯；中心性最高關鍵詞為環境，包括景觀、森林、綠地等自然環境，此外還涉及焦慮、壓力、健康等心理生理相關詞匯。

表1 高中心性關鍵詞前10總覽

2.2 關鍵詞聚類分析

如圖6所示，文獻規模最大為＃0探索心理生理恢復，聚類輪廓值最高為＃1減輕病人疼痛感，聚類＃3心率變異性生物反饋和聚類＃7環境感知為最新研究熱點。篩選文獻高被引頻次的6個聚類，總結13篇核心文獻研究內容與研究方法，其中被引頻次最高的4篇文獻為:Valtchanov等[10]最早提出虛擬自然具有復愈效果；Tashjian等[11]首次測量了虛擬自然對住院患者疼痛感受的影響；Gold等[12]發現虛擬自然體驗可減少兒童抽血時的痛苦；Anderson等[13]提出虛擬自然可為宇航員、潛水員等長期封閉人員放松(表2)。

表2 6個聚類核心文獻研究概況

圖6 關鍵詞聚類時間線圖譜

3 研究熱點領域

3.1 營造健康人居環境的虛擬自然

1)提升辦公空間療愈能力。Yin等[18]使用虛擬現實技術模擬自然環境融入辦公空間對辦公人員可產生“鎮靜”效果，對血壓、皮膚電導變化以及短期記憶都有積極影響。Yin等[23]評估不同虛擬自然元素對辦公人員壓力焦慮恢復影響差異，發現有虛擬綠植、木材、日光的窗景有助于恢復壓力，改善焦慮。

2)增強校園環境恢復效力。將虛擬自然作為學生與自然互動教育的補充，可在認知恢復和增強心理狀態方面提供益處。O'Meara等[24]發現受考試焦慮影響的學生不斷增多，通過提供虛擬現實綠色環境暴露有效削弱了學生考試焦慮，改善考試體驗，提高成績。Fleury等[25]發現在虛擬自然環境下工科學校設計專業學生的創造力會有所提升，他們的草圖構思與方案設計更具創新性。

3)改善生活居住環境品質。合理運用虛擬自然視聽覺元素營造舒適宜居的室內環境，對長期在室內的人群健康有重要意義。Chung等[26]利用智能手機和便攜VR眼鏡，克服時空限制，居民可在360°虛擬自然環境下恢復定向注意力，應對精神疲勞。Riva等[7]發現每周居家虛擬自然花園體驗可以緩解居民焦慮、增加幸福感、加強社會聯系，減輕疫情下的心理負擔。Yeom等[6]驗證了室內虛擬綠墻在減輕居民壓力方面的有效性，面積適中的小型綠墻會讓居民感到更放松。

4)指導城市景觀規劃設計。虛擬自然環境研究有助于環境心理學和公共衛生領域研究人員理解自然復愈的心理生理機制，輔助公共空間規劃和人居環境自然化決策，增強居民在休息娛樂和社會交往方面幸福感與健康。Huang等[27]研究發現綠草如茵、樹木成林的虛擬城市環境更能支持壓力恢復。Baran等[28]使用虛擬環境探索居民對社區公園自然景觀的安全感知，使城市規劃者和公園管理者更好地理解城市綠地的空間特征如何影響人們的安全感知，進而影響使用模式以及城市公園提供的社會和心理效益的實現。

3.2 改善病患身心體驗的虛擬自然

1)減輕病人疼痛感。自然沉浸通過分散病患注意力達到生理上的病痛舒緩，將其用于傷口護理、化療、牙科治療等醫療程序中，病患高度沉浸并產生多模式視聽感官體驗，達到減輕疼痛的效果。相比其他虛擬元素，自然元素(自然窗景、流水、風景畫)在醫療環境中最常見[29-30]:病房天花板布置模擬自然天空場景、墻上設置增強現實的自然壁畫、候診室放映虛擬水族館影像等，燒傷患者在虛擬環境療法后所感受到的疼痛刺激也極大減少[31-35]。虛擬自然環境充分調動有限的定向注意力資源，不需使患者更多地集中注意力，減輕疼痛與焦慮的效果更勝一籌。

2)調節患者情緒狀態。虛擬自然沉浸的情緒調節作用是通過影響患者心理活動來實現的。Tanja-Dijkstra等[8]使用虛擬自然改善牙科患者治療體驗，減少患 者對牙齒疾病治療的恐懼與焦慮情緒。Gerber等[36]為心臟外科病人呈現沉浸自然場景，減輕病人認知障礙，使病人得到明顯放松與減壓。Uwajeh等[37]運用VR營建康復花園幫助阿爾茨海默病人和癡呆癥患者降低血壓，改善壓力焦慮水平，減少負面情緒。Scates等[38]給接受靜脈注射的癌癥中心患者觀看虛擬自然視頻，患者放松、平和感顯著增加。

3)提高治療效益。Veling等[39]運用沉浸自然環境對焦慮癥、精神病、抑郁癥和雙向情感障礙患者進行心理健康干預，發現虛擬自然是一種高效的自我放松方式，可提高精神疾病治療效益。Appel等[40]發現虛擬自然是一種安全、廉價、非藥理學的治療方法，能顯著提高感知及行動障礙的老年人抑郁、焦慮、認知困難等病癥的治療效果。

3.3 虛擬自然助力綠色運動

綠色運動是將接觸綠色自然與體力活動結合，比單純進行體育鍛煉能給人帶來更大健康益處，與無自然元素的室內或城市環境中進行體育活動相比，綠色運動可明顯減少壓力疲勞、削弱憤怒悲傷等消極情緒[41]。

許多城市居民無法定期進行綠色運動，虛擬自然可使參與者在室內運動也產生與在大自然中運動同樣的健康效益，通過觸發注意力恢復機制，降低人們感知體力消耗水平，誘導運動者進行更劇烈的身體活動，提高運動強度[42-43]。目前研發了許多虛擬現實綠色運動軟件系統，如Steam VR平臺已經做到室內外運動視野兼備的效果，用戶可以選擇自己喜歡的虛擬自然場景(海邊、優美公路、雪山、叢林)，使用體感交互設備進行沖浪、摩托車騎行、滑雪、野外探索等運動，這些運動若未經專業訓練在真實自然中很難獨自完成，但通過VR設備就可輕松實現，有助增強參與者鍛煉意愿，增加鍛煉行為[44]。

3.4 虛擬自然結合智能康復技術

1)腦機接口-虛擬現實系統。腦機接口(Brain-computer interface)是利用中樞神經產生的信號，不依賴外周神經肌肉，在大腦與外部設備之間建立直接交流和控制通道[45]。將BCI與VR組合設計成互補工具系統(BCI-VR系統)在康復領域擁有廣闊前景:VR提供豐富的康復環境和真實體驗，BCI能夠實時監測用戶心理狀態，實現多種情緒(愉悅、悲傷、平靜、憤怒、害怕)判別分析，以便動態調整VR環境內容，為用戶提供良好療愈體驗。例如為行動障礙者或健康用戶提供虛擬恢復性環境，可通過BCI采集并分析從用戶傳感器獲得的需求信號，將其轉換為命令轉發給VR設備，及時向用戶提供所需的虛擬自然、博物館、藝術文化創作場所等環境的參觀體驗[46]，并且借助BCI探測的腦電圖信號，檢測用戶的視覺注意力，以便其自如地進行360度虛擬環境環顧體驗[47]。使用神經科學反饋手段客觀定量研究用戶感知，通過數據收集用戶反饋的方法會更直觀地為設計師提供環境優化設計策略。Li等[48]生成幾種虛擬現實地下空間環境，使用腦機接口獲取被試腦電圖和脈搏血氧儀讀數，結果顯示在充滿綠色植物的虛擬場景中，人們的認知表現能力及感受到的環境舒適度最高。

2)心率變異性生物反饋。心率變異性是指相鄰心跳間顯示出一定波動，隨著呼吸、血壓、情緒改變而起伏變化，受個體自主神經控制，是描述自主神經活動強弱的重要指標。心率變異性生物反饋可通過呼吸放松訓練增強，并改善用戶情緒，可以減輕壓力和恢復自主神經系統平衡[19]。然而傳統反饋形式存在使受試者生畏，產生應激反應，視覺吸引力不夠導致無法專注等弊端[49]，研究人員以沉浸式裝置提高受試者的參與感，將虛擬自然環境作為生物反饋發生背景，如自然聲音[50]、舒緩的環境光[51]、聲光組合[52]，智能手機動畫游戲[53]，突破傳統訓練畫面單調無趣的缺點，讓受試者處于放松自信狀態，緩沖負面影響，釋放壓力，調節自我，控制情緒與行為。可應用于緩解學生考試焦慮、學習壓力；康復中心病人身心疾病輔助治療；公安、武警、軍隊等心理訓練，專業人才選拔；運動員、飛行員壓力釋放，精力專注。

4 研究展望

恢復性虛擬自然環境研究方興未艾，未來研究還應深入挖掘以下3個方面:

1)強化多理論研究應用。目前研究均基于注意力恢復和減壓理論，與其他理論結合應用有限。例如“親生物假說”和“瞭望-庇護理論”分別從生物進化和居住地選擇角度闡明了人對于自然存在審美、理智、認知和精神的依賴，反映人的行為心理與自然環境的互動關系[54-55]；Hartig[56]于2021年提出“關系恢復理論”與“集體恢復理論”，Egner等[57]于2020年提出“條件反射恢復理論”。上述理論均可作為虛擬自然環境空間布局設計的理論支撐，指導我們從自然中汲取經驗，通過對自然的提取、模擬和重現等手段創造支持人類疾病恢復與健康生活的虛擬自然環境。

2)建立多維度恢復效果評估體系。目前研究大多從身心健康維度出發對恢復效果測量進行指導，而不對其他恢復關聯維度進行研究，如社會維度，集體恢復理論則強調樂于助人性、同理心、利他主義、親社會性等方面恢復效果[58-60]；生態心理學[61]從生態維度出發關注親生態行為、自然關注度、自然連通性等恢復效果。社會維度和生態維度代表了個人對社會關系、自然關系的感知和行為，多維度恢復測評則可幫助研究設計出能夠促進社會凝聚力、親社會行為、環境可持續、綠色消費的虛擬自然環境。

3)加強作者間、機構間合作聯系。目前發文作者與研究機構均表現出較強的獨立性，受國家與地域分布影響較大，短時間難以建立合作關系。高校等研究機構合作網絡的提升空間大，若能在現有機構網絡基礎上形成網絡間合作紐帶，研究面將覆蓋更廣泛，更有利于研究深入拓展。