Electroencephalograms (EEG) based analysis of human behavior in design activities

The aim of this thesis is to establish and demonstrate the connection between design cognition, design performance, and brain behavior through electroencephalography (EEG) measurement, enriching our understanding of cognitive mechanisms in engineering design activities and clarifying distinctions between design and divergent thinking tasks. Existing neurophysiological-data-based design cognition research has shown that EEG is promising for indicating creativity levels; however, creativity alone is insufficient to comprehensively assess design performance, and the association between EEG behavior and other relevant performance metrics remains underexplored. Moreover, previous efforts in the design field predominantly rely on involving either creativity tests or design tasks alone to study the cognitive process, leaving the connection between these two areas unexplored, and raising questions about the extent to which EEG activities observed through creativity tests can accurately reflect design cognition. The current research addresses these gaps through a comprehensive experimental protocol in addition to a refined signal processing protocol which allows for managing higher contamination from body movements in natural design settings compared to controlled clinical environments. In our experiment, engineering students engaged in multiple design tasks (Design with Morphological Table - DwMT, and Problem-Solving through engineering knowledge - PST) and creativity tests (figural version of Torrance Test of Creativity Thinking – TTCT-IF, and Alternative Uses Task - AUT), allowing for the observation of EEG patterns across different activities in the design process and output modalities in idea generation. The result of this study showed that EEG behavior across different design activities emerged as a potential proxy for predicting design performance beyond creativity, with certain brain regions and frequency bands showing stronger relevance depending on the task’s nature. Furthermore, the statistical tests on the EEG data identified both distinctions and commonalities between design tasks and creativity tests, evidenced by bilateral asymmetry differences and channel-specific activities. The significance of this study lies in establishing cross-comparisons to connect creative design tasks and creativity tests across different output channels in idea generation, linking brain activity patterns to the quality of design outcomes, and identifying distinct differences between design-specific cognition and general creativity tests. Ultimately, this work provides insights that inform design cognition and enhance design performance.

L'obiettivo di questa tesi è stabilire e dimostrare la connessione tra la cognizione del design, la performance di progettazione e il comportamento cerebrale attraverso la misurazione EEG, arricchendo la nostra comprensione dei meccanismi cognitivi nelle attività di progettazione ingegneristica e chiarendo le distinzioni tra compiti di progettazione e compiti di pensiero divergente. Le ricerche esistenti sulla cognizione del design basate su dati neurofisiologici hanno dimostrato che l'EEG è promettente per indicare i livelli di creatività; tuttavia, la creatività da sola non è sufficiente per valutare in modo esaustivo le prestazioni di progettazione, e l'associazione tra il comportamento EEG e altre metriche di performance rilevanti rimane poco esplorata. Inoltre, gli sforzi precedenti nel campo del design si sono concentrati prevalentemente sull'uso di test di creatività o compiti di progettazione per studiare il processo cognitivo, lasciando inesplorata la connessione tra queste due aree e sollevando interrogativi sull'effettiva capacità delle attività EEG osservate nei test di creatività di riflettere accuratamente la cognizione del design. La ricerca attuale affronta queste lacune attraverso un protocollo sperimentale completo, oltre a un protocollo di elaborazione del segnale raffinato che consente di gestire la maggiore contaminazione dovuta ai movimenti corporei in ambienti di progettazione naturali rispetto a quelli clinici controllati. Nel nostro esperimento, studenti di ingegneria hanno svolto diversi compiti di progettazione (Design con la Tabella Morfologica - DwMT e Problem-Solving attraverso conoscenze ingegneristiche - PST) e test di creatività (versione figurativa del Torrance Test of Creativity Thinking – TTCT-IF e Alternative Uses Task - AUT), permettendo l'osservazione dei pattern EEG durante diverse attività nel processo di progettazione e modalità di output nella generazione di idee. I risultati di questo studio hanno mostrato che il comportamento EEG durante le diverse attività di progettazione è emerso come un potenziale indicatore per prevedere le prestazioni di progettazione oltre la creatività, con alcune regioni cerebrali e bande di frequenza che mostrano una maggiore rilevanza a seconda della natura del compito. Inoltre, i test statistici sui dati EEG hanno identificato sia distinzioni che somiglianze tra i compiti di progettazione e i test di creatività, evidenziate da differenze di asimmetria bilaterale e attività specifiche dei canali. L'importanza di questo studio risiede nel stabilire confronti incrociati per collegare i compiti di progettazione creativa e i test di creatività attraverso diversi canali di output nella generazione di idee, collegando i pattern di attività cerebrale alla qualità dei risultati di progettazione e identificando differenze distinte tra la cognizione specifica del design e i test di creatività generali. Infine, questo lavoro fornisce approfondimenti che arricchiscono la comprensione della cognizione del design e migliorano le prestazioni di progettazione.