集成壓電傳感器、柔性熱電式傳感器的無線一體式VR手套

隨著VR技術不斷發展，人們對於更沉浸的VR體驗感需求也越來越高。僅依靠360°視覺模擬已經不夠了，市面上還出現了全身體感反饋、氣味模擬裝置等外設產品，目的就是為了營造一個難以區分虛實的VR世界。

而對於體感反饋外設來說，又細分為觸覺反饋、力反饋，甚至溫度體感反饋等形式。近期，韓國科學技術院（KAIST）的科研人員就公布了一項關於體感手套的新研究，研究中指出了一種集成了壓電傳感器、柔性熱電式傳感器（TED）的無線一體式手套裝置，特點是無需外部熱電裝置，可通過無線的方式與PC或VR接收或發送信息，實時模擬與虛擬軟體同步的溫度。

註：TED傳感器是一種常見於加熱器或制冷機的熱量轉換模組，能夠根據珀爾帖效應，將電流轉換為熱流，達到溫度調節的效果。根據電流方向的不同，TED模組可以產生加熱或冷卻的功效。傳統TED模組結合硬性基底材質，並不夠靈活，因此KAIST科研人員根據賽貝克熱電效應原理，開發了一種柔性TED方案。

據悉，這套手套系統由軟硬體兩大部分組成：1）硬體部分——4個柔性TED傳感器、11個壓電傳感器、一個界面主板、手套主體採用矽膠質地。傳感器體積足夠小，不影響手指伸展等活動。

2）軟體部分——用於識別壓電傳感器輸出的手勢數據，計算出手指彎曲的角度，以此來模擬手部動作。另外，軟體也用來配合界面主板的控制系統來模擬溫感。

除了傳感器外，該VR體感手套還集成了主板和電池，用來傳輸數據以及控制不同溫度的體感反饋。原理方面，它是通過TED和壓電傳感器來觸發皮膚表層對溫度的刺激，進而傳輸模擬的體感溫度。

簡單來講，KAIST研發的VR手套技術涉及到熱量轉換，通過實現對體感溫差的模擬，來增強VR虛擬溫度的逼真感，而不是實際上達到需要模擬的溫度。

KAIST表示：人們在現實生活中與周圍環境交互時，身體會通過接收外界的各種刺激，來分析環境並做出反應。而通常為了實現對皮膚的溫度刺激，會使用液體循環裝置或溫差電元件，但體積較笨重，難以與緊湊的穿戴式手套集成。此外，傳統溫度模擬系統難以支持快速實時的溫差變化。

因此為了解決上述問題，KAIST科研人員研發了一個集成一體式VR溫度模擬手套方案。該方案中搭載的壓電傳感器可識別手部動作，而柔性熱電式傳感器則支持對皮膚的雙向溫度刺激。這種定製的柔性傳感器足夠耐用，可承受超過5000次彎曲，彎曲半徑在20毫米內也足夠靈活。

由於皮膚對溫度的感知一定程度上與溫差相關（比如手很涼的時候摸冰塊不會特別冰，碰溫水會覺得體感溫度比實際更高），因此手套在模擬溫度時也將人的體溫元素考慮在內，在室溫環境中降低10°C體感溫度最快只需要半秒時間。

為了驗證體感溫度模擬與VR之間的關係和影響，KAIST科研人員進行了兩次驗證實驗，結果發現觸發皮膚對溫度的刺激確實有助於提升VR的逼真感和沉浸感。所有男性參與者認為溫感模擬有助於提升VR臨場感，60%男性認為有助於提升逼真感，而80%女性認為溫感模擬有助於提升VR臨場感，70%女性認為有助於提升逼真感。

此外，人的潛意識會對VR中的特定顏色期待相應的溫感刺激（可能指的是人對暖色調和冷色調會期待不同的溫度），視覺刺激有助於在VR中對溫度反饋的準確和快速識別，而且女性男性對溫感刺激的反應時間也稍有不同。

科研人員表示：手套形式的外設用於VR/AR足夠合適。考慮到人的雙手是全身自由度最高（27DoF）的部位，也是身體最敏感的部位之一，可感知壓力、震動、拉扯、疼痛、溫度、輕觸等體感反饋，因此用手套作為控制器來操控AR/VR虛擬物體的效果會更自然。