全景科学 ·

让你摸得到的虚拟现实技术诞生了!能触摸异地女友、打游戏真会挨揍,想尝试吗?

图片来自电影《头号玩家》


在一项发表于《自然》的最新研究中,美国西北大学和中国香港城市大学的科学家发明了一种能远程传递触觉感受的虚拟现实(VR)技术。这项技术用到了一种新型轻巧、无需充电的柔性触觉贴片,它能让异地的亲人直接感受对方的触摸,还能让假肢携带者感受对物体的触碰。而这种触觉贴片,也将触觉整合到虚拟现实和增强现实(AR)中,能让游戏玩家切身感受游戏角色参与的战斗。


来源 | Scientific American

翻译 | 石云雷

编辑 | 杨心舟 吴非



传递触觉的新技术


一位母亲坐在电脑前与她年轻的孩子进行视频聊天。当她轻轻地触摸视频屏幕上的孩子时,贴在孩子背部的一张无线触觉贴片,开始随着他母亲手指抚摸发出相匹配的振动,让孩子“感受”到母亲真实的触碰。

 

这种新的贴片是一种传递触觉的设备,也是一种能远程传递触觉信号的新技术。一个常见的触觉传递例子是,当玩家在游戏中的角色被攻击时,游戏的控制器会发生振动。一些研究者认为更加前沿的、可穿戴的接口设备,是让体验者在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)中获得接近真实的经历的关键。


“已有的VR和AR技术主要由听觉和视觉通道组成,并将视听觉作为形成大脑感受最主要的基础来源,”这种新型触觉贴片的研究者、美国西北大学的物理化学家和材料学家John Rogers说,“但我和同事认为,让皮肤获得触觉感知,可以在本质上增强通过VR获得的感受,这是光凭声音和画面无法做到的。


科学家、科技公司和DIY玩家都测试过可穿戴的触觉设备,通常是携带振动马达的背心和手套。但这些触觉设备通常需要重型电池来供电,还连接了大量的电线。由于这些设备的重量,它们只能松散地接在身体表面,而不是与皮肤紧密连接。


为了解决这个问题,Rogers和同事研发了一种只有几毫米厚的、消耗电量很少的圆盘形振动致动器。每个致动器能以最快每秒200个循环的速度产生共振,这样能向穿戴者皮肤最大程度地传递触觉感受。这些致动器能产生一系列的物理振动,但需要的能量特别少,因此它们能通过近场通讯(一种转移少量能量的无线方式)充电。生活中利用ID卡打开门禁,就是近场通讯的典型例子。



机械致动器的供电方式,通常会限制这些触觉技术在移动设备中的应用。但新设备中的单个致动器需要的电量不足两毫瓦,相比于之前的触觉设备,对能量的需求降低了不止一个数量级。在此基础上,研究人员能创造多种新型移动设备,只需要一个电池就能有效供电,也可以利用无线供电。

 


无需充电的柔性触觉贴片


研究团队将由32个致动器构成的电子设备层,嵌入上下两层具有防护作用的硅树脂薄层之间。最终,他们得到的产品是一种轻型的、类似丝质材料制成的柔性贴片。就像潜水衣一样,可以弯曲和扭曲,当穿戴者在移动时,能与穿戴者的皮肤一直保持接触。



电子设备层能激活一系列的致动器,并且这些致动器能单独被激活,产生不同的振动频率以向身体传递或强或弱的触觉。电子设备层比鼠标垫略薄,可以通过极具粘性的表面粘在皮肤上。现在,这项飞跃性地发现已经被发表在《自然》期刊上。


轻型的、类似丝质材料制成的柔性贴片


Rogers提示到,这种触觉技术涉及的一些装备设置其实并不罕见,这些装置在其他的设备中也有应用,但他们的研究团队通过一种新的方式将它们进行了整合。“这种新型的触觉贴片具有最小化的致动器和轻薄柔软的材质,与皮肤的接触十分温和舒适,而且还可以采用无线控制和供电。之前从没有这种设备合并式的研究,”他说,“当你将它们整合在一起时,最终会获得完全不同的触觉设备。我认为这是一个真正强大的开端,有利于我们最终开发由1000个能同时被控制的致动器组成的、全身触觉传感套装。这也是人们真正将要用到的。”


目前,研究人员已根据不同的身体部位,测试了多种由原型改造的不同形状和大小的触觉贴片,例如为手背设计了圆形的贴片,为上背部设计了X型的贴片。在触觉贴片的展示实验中,在孩子和母亲的家庭视频聊天中,这种触觉贴片能远程传递母亲对孩子的触摸。



在另一项展示中,一个下臂截肢者利用假肢抓住了啤酒。假肢的手指上都装有传感器,能将信息传递给截肢者上手臂的触觉贴片,让他能获得机械手臂握住啤酒杯的触觉。



另一位受试者在战斗类游戏中,每当他的游戏人物受到攻击时,他穿戴的多种触觉贴片会将触觉信息传递到他真实身体的相应部位。

 



更接近真实的触觉


Rogers和同事已经建立了一个初创公司,决定将这种触觉贴片商业化,但他表示这并不是他们后续研究的重点。在不久的将来,他们希望研发出更轻薄和柔软的触觉贴片。他们也将继续测试触觉贴片的灵敏度:比如让贴片中的致动器能改变振动的频率,进而改变皮肤的感知,在理论上能传递了一种更强或更弱的触觉(要实现这一可能,他们还需要一个更优化的输入信号系统,让穿戴者能区分轻轻一击与更重的击打感)。Rogers也认为这些贴片的未来版本,将能产生更多类型的触觉。除了直接给皮肤一个直接的触感,还能传递运动和温度的感受。

 

“我认为这种设备的使用范围将十分广泛,而且显而易见,我们需要这些类型的触觉输出设备。”德国萨尔大学的计算机科学家Jürgen Steimle说。他指出,最常见的商业触觉设备就是手机,但它只有两种触觉模式,振动和不振动。“当然,这种贴片也不会十分昂贵,它实际上提供的也不是人与人直接接触获得的感受。”他说,“但任何能帮助我们提高触觉信号表现的设备,在未来,都将有助于我们研发出更先进的计算机接口。”

 

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/new-virtual-reality-interface-enables-touch-across-long-distances/

原始论文:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1687-0




《万物》2020年全年订阅

开启征订

点击图片阅读原文进入订阅页面

参与评论