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Seo, S., Lee, J., Lee, S., Ha, K., & Hwang, S. 2026. TILO: Designing Soft Kinetic Cues for Embodied Biofeedback.
  • 작성자 HIDE
  • 조회수 22
2026-02-12 16:56:53

Topic: TILO: Designing Soft Kinetic Cues for Embodied Biofeedback.

 

This study investigates the moments when people must rapidly shift into cognitive work while residual physiological and emotional arousal remains—such as immediately after commuting—and asks how gentle, breathing-like physical motion that encourages respiratory entrainment can support task transitions in everyday contexts. Grounded in prior evidence that slow breathing can reduce heart rate, increase heart-rate variability, alleviate stress, and benefit executive function and working memory, the work extends “external rhythmic cues” for breath regulation beyond purely visual or haptic signals to a physically transforming interface whose form actually expands and contracts. To this end, the authors propose TILO (Take It in, Let It out), a lighting-based biofeedback prototype designed to generate a 0.1 Hz expansion–contraction rhythm aligned with the user’s heart signal, functioning as a soft cue that naturally slows breathing.

TILO’s form and material choices were informed by impression factors relevant to affect regulation, adopting a curvature-driven, gentle silhouette and an elastic fabric that stretches multi-directionally while providing a stable tactile feel, so that users perceive a “soft volumetric change.” Mechanically, the device was designed to appear as if it expands and contracts in volume through coordinated rotational motion across the x, y, and z axes. The 3D-printed structure consists of a base, upper and lower rotation modules, an upper body, and an internal fabric-tension module; when the motor actuates, linked flaps unfold, the outer skin expands, and the upper body rises to create an omnidirectional “breathing” transformation. The motion profile reflects the temporal asymmetry of human respiration by setting an inhale–exhale ratio of 1:1.2 and implementing a non-linear trajectory—rapid rise with a gentle plateau for inhalation, followed by a sharper drop with gradual damping for exhalation—using Bézier-curve animation. This gesture was realized as a 10-second loop (0.1 Hz) with a maximum expansion angle of 65°. For implementation, keyframe animation data were exported as time–angle pairs in JSON, then converted into a mathematical waveform approximated with a 5th-order Fourier series for real-time control. Using an adult resting heart-rate range of 60–100 bpm as a reference, amplitude and frequency were adaptively mapped to heart rate so that higher heart rates would lead the system to cue slower, deeper breathing. Overall, the pipeline comprises biosignal acquisition, heart-rate computation, parameter mapping, and playback of the breath-guidance motion, thereby providing a physical biofeedback cue responsive to changes in the user’s state.

The user evaluation was conducted in two rounds. The first test focused on checking technical completeness and overall user experience to identify improvements. Participants generally received the expansion–contraction motion positively, and some reported that their breathing began to align with the device’s rhythm; however, others noted that mechanical noise during actuation became more salient than the motion itself and disrupted relaxation, motivating structural and design refinements. The second test used the improved prototype to examine how TILO affects users at the onset of cognitive work. Participants performed a light walk for three minutes to simulate commuting strain, then completed a five-minute arithmetic task under both a no-TILO condition (A) and a TILO condition (B) in a within-subject design. In this stage, many participants described the heart-responsive motion as visually engaging and reported that it influenced their breath control and calming in practice. They also tended to interpret the device’s movement explicitly as “breathing,” describing experiences such as “it feels like it regulates my breathing,” “it feels synchronized with my heartbeat,” and “because the light breathes slowly, I naturally breathe more slowly too,” although the degree of entrainment varied across individuals.

Regarding effects during the cognitive task, some participants reported reduced anxiety, emotional relaxation, and brief attentional shifts that helped them organize thoughts and regain focus. Others acknowledged noticing the device but felt it did not help task performance, and a few stated that the motion distracted them and interfered with concentration. To explore the relationship between subjective reports and performance, the authors computed task outcomes as the product of accuracy and the number of solved items and compared conditions A and B. They observed a pattern in which some participants who reported feeling encouraged, experiencing respiratory entrainment, sensing calming effects, or feeling refreshed also showed improved performance, suggesting that breathing-oriented physical biofeedback may support task outcomes through affect regulation and cognitive control. Overall, the study suggests that soft, breathing-like physical motion synchronized to heart-related signals can be perceived in multiple ways—emotional calming, activation, or brief attentional reframing—and may function as a secondary supportive cue that smooths the transition from commuting to cognitive work. At the same time, the presence of neutral or even negative reports indicates that such motion cues can be sensitive to user state, task immersion, and environmental conditions. Finally, the authors note limitations of relying on a direct, attached heart-rate sensor in the current prototype and propose future work that integrates wearable biosensing for more natural everyday use, expands sample sizes and user diversity for stronger quantitative validation, and further refines the role and design principles of TILO within breathing-based interaction strategies.

 
 

본 연구는 통근 직후처럼 신체·정서적 각성이 남아 있는 상태에서 사람들이 곧바로 인지 과업을 시작해야 하는 상황에 주목하고, 호흡 동기화를 유도하는 부드러운 물리적 움직임이 과업 전환(task transition)을 어떻게 보조하는지 실사용 맥락에서 탐색하는 것을 목적으로 한다. 본 연구는 특히 느린 호흡이 심박을 낮추고 HRV를 높이며 스트레스 완화와 실행기능·작업기억에 도움을 줄 수 있다는 선행 근거를 바탕으로, 외부의 리듬 단서가 호흡 동기화와 정서 조절에 기여할 수 있다는 접근을 ‘촉각·시각 신호’가 아닌 ‘형태가 실제로 팽창·수축하는 물리 인터페이스’로 확장한다. 이를 위해 연구진은 TILO(Take It in, Let It out)라는 조명형 바이오피드백 프로토타입을 제안하고, 사용자의 심박 신호에 맞춰 0.1Hz의 확장–수축 리듬을 생성하여 호흡을 자연스럽게 느리게 유도하는 보조 단서로 작동하도록 설계하였다.

TILO의 형태·재료 설계는 정서 조절에 영향을 주는 인상 요인을 고려해 곡률 중심의 부드러운 실루엣을 채택하고, 다방향 신축성이 있으면서 촉감이 안정적으로 느껴지는 탄성 패브릭을 적용해 ‘부드러운 볼륨 변화’가 지각되도록 구성하였다. 메커니즘은 x, y, z 축 방향에서 연동된 회전 운동을 통해 전체가 부피감 있게 팽창·수축하는 것처럼 보이게 설계되었고, 베이스 구조, 상·하부 회전 모듈, 상부 바디, 내부 패브릭 텐션 모듈 등으로 구성된 3D 프린팅 기반 구조에서 모터가 구동되면 링크와 플랩이 펼쳐지며 외피가 확장되고 상부 바디가 상승해 전방위적 ‘숨쉬는’ 형태 변화를 만든다. 움직임 프로파일은 인간 호흡의 시간적 비대칭성을 반영해 흡기–호기 비율을 1:1.2로 설정하고, 흡기에서의 빠른 상승과 완만한 정체, 호기에서의 급격한 하강과 점진적 감쇠라는 비선형 형태를 베지어 커브 기반 애니메이션으로 구현하여 10초 루프(0.1Hz)와 최대 확장 각도 65°의 확장–수축 제스처로 구체화하였다. 구현 측면에서는 키프레임 애니메이션을 시간–각도 쌍으로 추출해 JSON으로 내보낸 뒤, 실시간 제어를 위해 5차 푸리에 급수로 근사한 수학적 파형으로 변환하고, 심박 범위(성인 안정 시 60–100bpm)를 기준으로 진폭과 주파수를 심박에 적응적으로 매핑해 심박이 높을수록 더 느리고 깊은 호흡을 유도하도록 설계하였다. 시스템 파이프라인은 바이오신호 측정, 심박 계산, 파라미터 매핑, 호흡 유도 모션 재생의 순차 과정으로 구성되어, 사용자의 상태 변화에 반응하는 물리적 바이오피드백 단서를 제공한다.

사용자 평가는 두 차례로 진행되었으며, 1차 테스트는 초기 프로토타입의 기술적 완성도와 사용 경험을 점검해 개선점을 도출하는 데 초점을 두었다. 참가자들은 대체로 확장–수축 움직임을 긍정적으로 받아들이고 일부는 자신의 호흡이 장치 리듬에 맞춰지는 경험을 보고했지만, 구동 시 발생하는 기계적 소음이 움직임보다 더 두드러져 이완을 방해한다는 의견도 제시되어 구조와 디자인을 개선하는 계기가 되었다. 2차 테스트는 개선된 프로토타입을 활용해 인지 과업 수행 초기에 TILO가 사용자에게 어떤 영향을 주는지 확인하기 위해 수행되었고, 참가자들은 가벼운 걷기 3분으로 통근 스트레인을 모사한 뒤 산술 과업 5분을 수행하며 TILO 미사용 조건(A)과 사용 조건(B)을 모두 경험하는 피험자 내 설계를 따랐다. 이 단계에서 다수 참가자는 심박에 반응하는 움직임이 시각적으로 흥미롭고 자신의 호흡 조절 및 안정에 실제로 영향을 준다고 보고했으며, 장치가 ‘내 호흡을 조절해 주는 느낌’, ‘심장 박동과 동기화되는 느낌’, ‘조명이 천천히 숨쉬니 나도 자연스럽게 더 천천히 숨쉬게 되는 느낌’처럼 움직임을 ‘호흡’으로 해석하는 경향을 보였지만, 동기화의 정도는 개인차가 존재했다.

인지 과업 중 효과에 대해서는 일부 참가자가 불안 완화, 정서적 이완, 짧은 주의 전환을 통해 생각을 정리하고 집중을 회복하는 데 도움이 되었다고 보고한 반면, 몇몇 참가자는 존재감은 인지했으나 과업 수행에는 도움이 되지 않았다고 답하거나 오히려 움직임이 산만함을 유발해 집중을 방해했다고 진술했다. 연구진은 주관적 보고와 실제 수행 간 관계를 살피기 위해 정답률과 해결 문항 수의 곱으로 과업 성과를 산출해 조건 A와 B를 비교했고, 격려를 받는 느낌, 호흡 동기화 경험, 진정 효과, 리프레시 경험을 보고한 일부 참가자에서 성과 개선이 함께 나타나는 패턴을 관찰하여, 호흡 기반 물리 바이오피드백이 정서 조절과 인지 통제를 통해 과업 성과를 ملم리적으로도 뒷받침할 가능성을 제기했다. 종합적으로 본 연구는 심박 동기화 기반의 ‘숨쉬는 듯한’ 부드러운 물리 움직임이 과업 시작 구간에서 정서적 진정 또는 활성, 짧은 주의 전환 같은 다양한 경험으로 지각되며, 통근에서 인지 작업으로 넘어가는 전환을 완만하게 만드는 보조적 2차 단서로 기능할 수 있음을 보여준다. 동시에 효과가 중립적이거나 방해적으로 보고된 사례가 존재한다는 점에서, 이러한 움직임 단서는 사용자 상태와 업무 몰입도, 환경 조건에 따라 민감하게 작동할 수 있음을 시사한다. 마지막으로 본 연구는 현재 프로토타입이 직접 부착형 심박 센서에 기반한다는 한계를 인정하며, 향후에는 웨어러블 바이오신호 기기 연동을 통해 더 자연스럽고 일상적인 사용 시나리오로 확장하고, 더 큰 표본과 다양한 사용자 집단을 대상으로 정량 검증을 강화함으로써 호흡 기반 상호작용 전략에서 TILO의 역할과 설계 원리를 더욱 정교화할 필요가 있음을 제안한다.

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