科學美國人:新的虛擬實境觸感貼片可實現遠距離「觸摸」

2021-01-07 大菠蘿飯

添加觸感可以使虛擬實境體驗更真實,John A.Rogers的團隊開發了輕巧靈活的觸感貼片,可將觸感直接傳遞給皮膚,兼具輕薄和節能特性。

一個女人坐在電腦前,與她的小兒子視頻聊天,同時她輕輕地在另一個屏幕上輕拍了一個界面。作為響應,孩子背上的無線貼片以與母親手指相匹配的模式振動,從而使他「感覺」到她的真實的觸摸。

這種新的貼片是一種觸覺設備,是一種可以遠程傳遞觸覺信號的技術。一個常見的例子是遊戲控制器,當玩家的虛擬形象受到打擊時會振動。一些研究人員認為,此類界面的更高級的、可穿戴的版本將成為使虛擬實境和增強現實體驗更加真實的關鍵。「如果你了解一下當今的VR和AR,你會發現它主要由聽覺和視覺通道組成感官體驗的主要基礎,」美國伊利諾州西北大學的物理化學家和材料科學家John A.Rogers說,他的團隊幫助開發了新的觸覺貼片。「但是我們認為,皮膚本身(觸摸感)可以從質量上提升您通過VR可以實現的體驗,而音頻和視頻則無法實現這種提升。」

科學家,技術公司和技術極客們已經試驗了可穿戴的觸覺設備,通常是配備振動電機的背心或手套。但是,其中很多都需要通過電線來連接沉重的電池組。由於它們的重量,大多數都必須寬鬆地附著在身體上,而不是牢固地粘附在皮膚上。因此,Rogers和他的同事們開發了僅幾毫米厚的振動盤,該振動盤的電量消耗很小。這些執行器(用於使系統運動的設備的術語)需要的電量非常少,因此可以通過NFC近場通信(一種傳遞少量電量的無線方法)來供電,該方法通常用於開門的ID卡。

「機械執行器所需的電力通常是在移動應用中真正大量、可擴展地使用這些技術的限制因素,」德國薩爾大學的計算機科學家Jürgen Steimle說,他並沒有參與新的貼片項目。研究人員「指出,單個執行器所需的功率不到2毫瓦,比以前的設備通常通常所需的功率少了一個數量級。...在我看來,這是一個逐步的改變,因為它允許我們將創造出新型的行動裝置,這些設備可以使用電池高效地驅動,或者甚至可以像Rogers團隊一樣使用無線供電。」

產品看起來就像輕巧柔軟的織物狀材料補丁,可以像潛水衣一樣彎曲和扭曲,並在穿著者的身體移動時保持與穿著者皮膚的直接接觸。它由夾在保護性矽膠片之間的電子薄層組成。一層包含為設備供電的NFC技術。這可以激活另一層:執行器陣列,每個執行器都可以單獨激活,並調整到不同的振動頻率以傳遞更強或更弱的感覺。這堆比滑鼠墊稍薄的電子設備最終形成了粘在皮膚上的貼片。該設備在最近出版的《自然》雜誌上有描述。

Rogers指出,該技術的一些要素已經存在於其他設備中,但是他說,他的團隊開發的的貼片以一種新的方式將它們結合在一起。「小型執行器、無線控制策略、輕薄,靈活,柔軟的結構、與皮膚的柔軟,溫和的接觸、無需電池的操作-這是我們過去從未報導過的一系列技術特性的集合,」他說。「當您將它們全部組合在一起時,最終會得到一個完全不同類型的平臺,我認為它將成為一個真正強大的起點,最終您可能擁有具備1000個執行器的全身套裝,它們都是同時受到控制,並具有人們實際要使用的尺寸。」

Steimle指出,其他團隊已經開發出了更薄的執行器,但是使用了不同的刺激皮膚的方法。物理振動的模塊「往往笨重,堅硬,且耗電量大,因為你需要實現機械運動,」他說。「有機械運動的配合,當然能出色地起作用。」

到目前為止,研究人員已經測試了各種形狀和大小的貼片原型,以適應身體的各個部位。例如,圓形的貼片放在手背上,而X形的貼片放在背部。在一個演示中,一家人在視頻聊天時使用該貼片體驗了遠程觸摸。在另一例演示中,一名下肢截肢者用假肢抓住了一杯啤酒。每個指尖均配備有傳感器,該傳感器與上臂的貼片進行通信,從而提供有關其機械臂所握住的物體的觸覺信息。最終,一個測試對象在玩戰鬥類遊戲時佩戴了多個觸覺貼片,因此遊戲中化身的四肢所受到的虛擬打擊可以傳輸到他的真實身體的相應部位。

儘管Rogers和他的同事們已經建立了一家新興公司來潛在地將其設備商業化,但他們說,這並不是他們繼續研究的重點。Rogers說,在不久的將來,他們希望可以使貼片更輕、更薄、更靈活。他們還在試驗其靈敏度:由於可以調節執行器,使其在皮膚或多或少可以感知到的頻率下振動,因此從理論上講它們可以傳遞更強或更弱的觸感(儘管這將需要更精密的系統來輸入信號,可以區分輕柔的撫摸和較粗暴的推動)。Rogers認為,未來版本的觸覺貼片可能會產生更多類型的感覺。除了在皮膚上垂直的接觸外,它還可以傳遞纏繞運動或溫度變化。

「我認為這項技術的應用空間十分廣泛,而且很明顯,我們需要這種類型的觸覺輸出,」Steimle說。他指出,最常見的商用觸覺設備是智慧型手機,它只有兩種模式:振動或不振動。「當然,這不是很有說服力,這實際上並沒有為我們人類以及我們如何觸摸,如何感覺,如何感知周圍的世界起到什麼幫助,」他說道。「任何有助於我們改善觸覺通道、觸覺通道的表達能力的東西,都將有助於我們將來實現更高級的計算接口。」

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