From cognition to biomechanics and back: The end-state comfort effect and the middle-is-faster effect

Abstract

Consistent preferences for particular types of movement suggest criteria for movement selection. These can be important when, as is usually the case, infinitely many movements allow a task to be achieved. The experiments reported here were designed to identify the source of a strong preference observed in earlier object-manipulation studies. In those earlier studies, subjects usually grabbed objects to be moved from one location to another in a way that afforded a comfortable final posture rather than a comfortable initial posture (the end-state comfort effect). The comfortable final state usually allowed the forearm to be at or near the middle of its range of motion on the pronation-supination dimension. The hypothesis tested here was that the end-state comfort effect stemmed from an expectation that movements can be made more quickly in the middle of the pronation-supination range than at either extreme. To test this hypothesis, we asked subjects, in the first experiment, to perform a handle rotation task that demanded little or no precision and so no need to make rapid to-and-fro homing-in movements near the end of the rotation. Half the subjects did not show the end-state comfort effect, in contrast to all previous studies, where all subjects showed the effect. An incidental finding of the first experiment was that handle rotations that ended at or near the end of the range of motion took longer than handle rotations that ended at or near the middle of the range of motion. To test the latter result more carefully, we asked subjects, in Experiments 2 and 3, to oscillate the forearm as quickly as possible, either in the supination part of the forearm rotation range, in the middle part of the range, or in the pronation part of the range. As predicted, oscillation frequencies were highest in midrange, and this was true for both hands. The results as a whole have implications for the relation between cognitive psychology and biomechanics, and for human factors.

Grasping movement plans

“…By grasping the plunger lower for high targets and higher for low targets, participants ensured that their joints would be at or near the middle of their ranges of motion during the object transports. This was a sensible strategy in view of the fact that greater physical power (Winters & Kleweno, 1993) and faster oscillations (Rosenbaum, van Heugten, & Caldwell, 1996) are achieved at or near the middle of a joint's range of motion than at its extremes. Similarly, grasping the plunger lower when high precision was required also made sense from a biomechanical perspective.…”

What is the point of motor planning?

“…Oscillations of the forearm near the middle of the pronation-supination range are also faster than oscillations of the forearm near the extremes of this range (Rosenbaum, Heugten, & Caldwell, 1996). Similarly, the torques that can be generated are greater at midrange (Winters & Kleweno, 1993), and so is proprioceptive sensitivity (Rossetti, Meckler, & Prablanc, 1994).…”

Desempenho de adultos, crianças com desenvolvimento típico e crianças com transtorno do desenvolvimento da coordenação em uma tarefa de planejamento da ação

“…Por outro lado, nas condições em que a tarefa impôs maior demanda de precisão, observou-se maior número de crianças engajadas na mudança de um padrão de apreensão para outro, principalmente nos grupos mais velhos, mas sem diferenças significantes. Os autores concluíram que não foi possível confirmar a predição de que a maior demanda de precisão da tarefa levaria a apreensões que favorecessem o estado de conforto ao final.Contudo, estudos conduzidos com adultos universitários confirmaram a hipótese da precisão na análise do planejamento de ações manipulativas, como no experimento 1 conduzido por Rosenbaum, van Heugten e Caldwell (1996). Os autores utilizaram uma adaptação da tarefa de apreensão e giro de uma manivela e observaram que, quando o requerimento de precisão foi reduzido, (via um dispositivo de queda composto por um parafuso acoplado à manivela), o ESC diminuiu, com somente metade dos universitários avaliados trocando a forma de apreensão conforme a manipulação a ser realizada (posição de giro).…”

“…Conforme os autores, em estudos anteriores, quando o requerimento de precisão foi alto, todos os participantes apresentaram o efeito. Ainda, nas tentativas que apresentaram 50 apreensões confortáveis, o tempo de giro da manivela foi menor do que nas posições desconfortáveis, novamente confirmando o ESC.Os resultados apontados por Rosenbaum, van Heugten e Caldwell (1996) reafirmaram que a meta é uma restrição da tarefa que delimita o comportamento motor de apreensão que o sujeito adotará para manipular um objeto. O êxito na tarefa é dependente da análise e do planejamento prévio do movimento, pois se o sujeito não planejar antecipadamente a forma de apreensão, consequentemente terá que realizar ajustes durante o movimento ou realizará a tarefa em posição desconfortável do membro.…”

“…Vários estudos nesse paradigma confirmaram o ESC em tarefas manipulativas, como a tarefa utilizada nesse estudo de apreender e encaixar uma barra de madeira (ROSENBAUM et al, 1990; WEIGELT, KUNDE e PRINZ, 2006 ; HUGHES, SEEGELKE e SCHACK, 2012), a tarefa de girar uma manivela (ROSENBAUM et al, 1993;KNUDSEN et al 2012; WILMUT e BYRNE, 2014), apreender um cilindro e mudá-lo de lugar em uma prateleira vertical (COHEN e ROSENBAUM, 2004) e até mesmo em tarefa manipulativa de coordenação ampla de transporte de objeto (LAM et al 2006). Ainda, alguns estudos confirmaram que o efeito é potencializado quando a demanda de precisão da tarefa é maior (ROSENBAUM, VAN HEUGTEN e CALDWELL, 1996; SHORT e CARAUGH, 1999; HUGHES, SEEGELKE e SCHACK, 2012).No presente estudo, a hipótese da precisão foi confirmada somente nas crianças com DT de 5-6 anos de idade, que obtiveram mais conforto na condição de maior demanda de precisão. Com isso, só nessa idade verificou-se diferença significativa na frequência de conforto entre os grupos de DT e TDC, com as crianças com TDC apresentando menor frequência de conforto final, mas somente na condição de maior demanda de precisão.…”