Studies of working memory in interrupted human-computer interaction

Distraction in the workplace is increasingly more common in the information age. Several tasks and sources of information compete for a worker's limited cognitive capacities in human-computer interaction (HCI). In some situations even very brief interruptions can have detrimental effects on memory. Nevertheless, in other situations where persons are continuously interrupted, virtually no interruption costs emerge. This dissertation attempts to reveal the mental conditions and causalities differentiating the two outcomes. The explanation, building on the theory of long-term working memory (LTWM; Ericsson and Kintsch, 1995), focuses on the active, skillful aspects of human cognition that enable the storage of task information beyond the temporary and unstable storage provided by short-term working memory (STWM). Its key postulate is called a retrieval structure an abstract, hierarchical knowledge representation built into long-term memory that can be utilized to encode, update, and retrieve products of cognitive processes carried out during skilled task performance. If certain criteria of practice and task processing are met, LTWM allows for the storage of large representations for long time periods, yet these representations can be accessed with the accuracy, reliability, and speed typical of STWM. The main thesis of the dissertation is that the ability to endure interruptions depends on the efficiency in which LTWM can be recruited for maintaing information. An observational study and a field experiment provide ecological evidence for this thesis. Mobile users were found to be able to carry out heavy interleaving and sequencing of tasks while interacting, and they exhibited several intricate time-sharing strategies to orchestrate interruptions in a way sensitive to both external and internal demands. Interruptions are inevitable, because they arise as natural consequences of the top-down and bottom-up control of multitasking. In this process the function of LTWM is to keep some representations ready for reactivation and others in a more passive state to prevent interference. The psychological reality of the main thesis received confirmatory evidence in a series of laboratory experiments. They indicate that after encoding into LTWM, task representations are safeguarded from interruptions, regardless of their intensity, complexity, or pacing. However, when LTWM cannot be deployed, the problems posed by interference in long-term memory and the limited capacity of the STWM surface. A major contribution of the dissertation is the analysis of when users must resort to poorer maintenance strategies, like temporal cues and STWM-based rehearsal. First, one experiment showed that task orientations can be associated with radically different patterns of retrieval cue encodings. Thus the nature of the processing of the interface determines which features will be available as retrieval cues and which must be maintained by other means. In another study it was demonstrated that if the speed of encoding into LTWM, a skill-dependent parameter, is slower than the processing speed allowed for by the task, interruption costs emerge. Contrary to the predictions of competing theories, these costs turned out to involve intrusions in addition to omissions. Finally, it was learned that in rapid visually oriented interaction, perceptual-procedural expectations guide task resumption, and neither STWM nor LTWM are utilized due to the fact that access is too slow. These findings imply a change in thinking about the design of interfaces. Several novel principles of design are presented, basing on the idea of supporting the deployment of LTWM in the main task.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.