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    在虚拟现实里,你甚至可以拥有触觉

    (邮狸/编译)虚拟现实=VR眼镜?这个想法可能早已过时了。

    在主打VR的电影《头号玩家》中,角色们都戴有触觉反馈手套,能够感受到“手中”的虚拟物体。通过全身的VR套装,他们还能感到施加于身体的冲击力,甚至爱抚时的温柔触碰。如今,这样的场景都有望实现了,虚拟现实不再局限于视觉和听觉,也将拓展人类的另一种感官——触觉。

    电影《头号玩家》

    工程师们正致力于为电子游戏创造真实的触觉感受,而在人机交互中增加触觉技术,也能加强我们对机器的控制,增强假肢的功能,促进教育,方便导航、沟通甚至在线购物。

    “在过去,触觉技术一直专注于设备的提醒功能,比如手机或手柄的振动反馈?!奔扑慊蒲Ъ蚁Iたǘ℉eather Culbertson)说,“但现在应用重点已经变了,人们专注于让东西摸起来更自然,让它们有更接近天然材料的触感,还原自然交互的感觉?!?/p>

    三种不同的触觉设备:抓握式、穿戴式、触摸式。图片来源:Knowable Magazine

    抓握式:抓好,抓紧

    不可否认,精准操作机器人是非常困难的,但触觉设备能助你一臂之力。

    以手术机器人为例,医生用它实施远程手术,操作非常精细的工具,或者执行人手无法完成的任务。大量研究表明,给手术机器人添加触觉反馈能提高手术精度,减少组织损伤和手术时长。触觉反馈还可以让医生在VR手术中进行零风险训练,同时体验到实际切割和缝合的感觉。

    迪士尼开发的远程机器人。图片来源:DisneyResearchHub

    触觉式远程机器人则能实现安全的人机交互。这种技术结合了高清视频、音频和交互式组件,并在网络上创建一种独特的"面对面"体验。迪士尼就开发了这样的系统,用气动管驱动人形机器人手臂,另有一组对应的机械臂,专门供人抓握。使用者可以通过操纵自己这边的机械臂,让另一边的机器人手臂抓住气球,拿起鸡蛋或拍打小孩的脸颊。

    再来看看小规模的应用,比如一款名为Foldaway的便携式触觉界面。

    图片来源:ALICE CONCORDEL

    它看起来就像是饮料的托盘,有三个铰接的微型机械臂。在它的顶部装设塑料握把后,这个设备就成为了三维的控制杆:三个机械臂会反馈推力,让用户感受到他们正在挤压的物体。在演示中,研究团队使用这些设备来控制无人机和挤压虚拟物体等。

    这些设备很有应用前景,但也存在一个明显的问题:如何让它们产生重量感呢?

    为了解决这个问题,科学家们从神经科学入手,开发出一款名为Grabity的虎钳——使用者抓住它并挤捏以拾取虚拟物体。该设备只需通过特定的振动,就能让人产生错觉,体会到重量和惯性。

    Grabity能提供重量和惯性的错觉,图中模仿的是抓起木块的感觉。图片来源:STANFORD SHAPE LAB

    穿戴式:转化感觉信息

    抓取式的设备通常利用的是动觉感受:运动、位置和力的作用产生的感觉,由皮肤、肌肉、肌腱和关节中的神经元传导。穿戴式设备则利用的是皮下神经传导的触觉感受——压力、摩擦或温度。

    大部分该类装置都是佩戴在手指上的。当在虚拟现实中触摸物体时,设备以相应力度按压指尖。

    但是最近有一款设备拥有相同类型的反馈,却无需覆盖到指尖的部位。相反,它可以戴在我们戴戒指的手指部位,并且有一块马达来拉伸手指皮肤。这样,我们既能自由地与现实物体交互,也能感知到“虚拟”物体。

    图片来源:DOMENICO PRATTICHIZZO

    在测试中,一个人手持粉笔,在虚拟黑板上“书写”,并通过触错觉感受到手指压力:当人们看到粉笔接触黑板并感觉到皮肤被拉伸时,其实他们被指尖的压力愚弄了。

    穿戴式触觉设备也能通过振动和用户交流。例如,卡尔伯森的实验室正在开发一种腕带,通过振动来引导佩戴者,振动方位即目的方位。神经科学家大卫·伊格曼(David Eagleman)的团队则开发了一种带有32个振动电机的背心——VEST。这种背心曾在科幻剧《西部世界》中出现过,它能帮助角色发现正在接近的敌人。

    热播美剧《西部世界》中的黑科技背心。图片来源:Westworld/HBO

    VEST最有前景的应用之一是把声音转化为触觉,使听障人士更容易理解口语。同样,各类视觉信息也能转化为振动,供盲人理解视觉世界。研究者还有一个比较大胆的设想,他们希望VEST能表达更抽象的信息,比如市场行情和环境数据。

    不过目前来看,提供振动反馈的电机可能还很笨重。因此,一些实验室正在开发更舒适的解决方案,比如柔软的气动驱动器(SPA)皮肤。它是一片厚度小于2毫米的柔软硅胶,其中点缀着微小的气囊。

    包含微小气囊的仿皮肤材料能提供振动反馈。图片来源:ADAPTED FROM H.A. SONAR?ET AL / FRONTIERS IN ROBOTICS AND AI?2016

    这些气囊可以每秒独立膨胀和放气几十次,从而构成触觉元素的像素——或者说“触素”,来创造一种网格状的触觉。它们可能会让用户体验到置身《头号玩家》套装中的那种感觉,或者向用户反馈机器人的方位或假肢的触觉。SPA皮肤还嵌入了由新型耐腐蚀合金制成的传感器,当用户挤压该皮肤时,SPA皮肤就可以把压感信号输入计算机。

    还有一种更薄的触觉薄膜,它的厚度不到半毫米。当薄膜贴于柔性薄片,并对薄膜施加电荷时,薄膜收缩并弯曲薄片,以此对皮肤施加压力。设备制造商正在应用这种由新型聚偏二氟乙烯塑料制成的材料,生产主打VR的触觉手套。

    除了触觉感受,肌肉、关节和肌腱的动觉感受也能输出到设备——比如机器人外骨骼。

    FlyJacket。图片来源:EPFL LIS/YOUTUBE

    如果将FlyJacket穿在手臂上,你就能体验到飞行的感觉。这款外骨骼在构造上比较简单:手臂和腰部的部件通过活塞连接。使用者只需移动手臂和扭动躯体,即可控制无人机的飞行。当无人机被风猛吹时,人们甚至可以感受到“风阻”。

    触摸式:触手可感

    点击屏幕并获得振动反馈,这已经是智能手机的标配了。随着技术的发展,我们能在屏幕上感受到更多触觉信息吗?

    当然可以。比如,卡尔伯森正在开发一种“数据驱动触觉”设备,它能逼真地模拟物体表面的粗糙度、硬度和光滑度。这种模拟并不依赖于复杂的算法和物理模型,只需要收集物体划过各种表面材料时的数据。当你用笔划过屏幕时,就能在屏幕上获得相应的振动反馈——不同的振动对应不同的纹理。该技术的潜在应用包括线购物和虚拟博物馆。

    图片来源:HEATHER CULBERTSON

    触摸式的屏幕也可以利用错觉。例如,当按下一个按钮的图片时,播放按钮点击的音效会让人觉得按钮实际上是存在的?;蛘呷闷聊豢雌鹄匆蚴种秆沽Ρ湫慰梢允顾雌鹄锤崛?。人们通过将视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉结合在一起来构建感知,正如卡尔伯森所说:“如果你的众多感官不匹配,那你的大脑就很容易被欺骗?!?/p>

    这些技术的发展都还在起步阶段,但在神经工程和材料科学的进一步推进下,新的触觉设备很可能超越《头号玩家》的新奇设定。令人兴奋又不安的是,当我们的感官增添更多的维度,恐怕死宅们也更难离开虚拟现实了。(编辑:EON)

    The End

    发布于2019-03-01, 本文版权属于果壳网(www.pkjm.net),禁止转载。如有需要,请联系果壳。 如在其他平台看到此文章被盗用,请告诉我们(文章版权?;し裼晌ㄆ锸刻峁?/p>

    Matthew Hutson

    现居纽约的科普作家

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