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有了這種設備 「紙片人」不但能看 還能摸到啦

虛擬現實=VR眼鏡?這個想法可能早已過時了。

在主打VR的電影《頭號玩家》中,角色們都戴有觸覺反饋手套,能夠感受到「手中」的虛擬物體。通過全身的VR套裝,他們還能感到施加於身體的衝擊力,甚至愛撫時的溫柔觸碰。如今,這樣的場景都有望實現了,虛擬現實不再局限於視覺和聽覺,也將拓展人類的另一種感官——觸覺。

工程師們正致力於為電子遊戲創造真實的觸覺感受,而在人機交互中增加觸覺技術,也能加強我們對機器的控制,增強假肢的功能,促進教育,方便導航、溝通甚至在線購物。

「在過去,觸覺技術一直專註於設備的提醒功能,比如手機或手柄的振動反饋。」計算機科學家希瑟·卡爾伯森(Heather Culbertson)說,「但現在應用重點已經變了,人們專註於讓東西摸起來更自然,讓它們有更接近天然材料的觸感,還原自然交互的感覺。」

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抓握式:抓好,抓緊

不可否認,精準操作機器人是非常困難的,但觸覺設備能助你一臂之力。

以手術機器人為例,醫生用它實施遠程手術,操作非常精細的工具,或者執行人手無法完成的任務。大量研究表明,給手術機器人添加觸覺反饋能提高手術精度,減少組織損傷和手術時長。觸覺反饋還可以讓醫生在VR手術中進行零風險訓練,同時體驗到實際切割和縫合的感覺。

迪士尼開發的遠程機器人

觸覺式遠程機器人則能實現安全的人機交互。這種技術結合了高清視頻、音頻和互動式組件,並在網路上創建一種獨特的"面對面"體驗。迪士尼就開發了這樣的系統,用氣動管驅動人形機器人手臂,另有一組對應的機械臂,專門供人抓握。使用者可以通過操縱自己這邊的機械臂,讓另一邊的機器人手臂抓住氣球,拿起雞蛋或拍打小孩的臉頰。

再來看看小規模的應用,比如一款名為Foldaway的攜帶型觸覺界面。

它看起來就像是飲料的托盤,有三個鉸接的微型機械臂。在它的頂部裝設塑料握把後,這個設備就成為了三維的控制桿:三個機械臂會反饋推力,讓用戶感受到他們正在擠壓的物體。在演示中,研究團隊使用這些設備來控制無人機和擠壓虛擬物體等。

這些設備很有應用前景,但也存在一個明顯的問題:如何讓它們產生重量感呢?

為了解決這個問題,科學家們從神經科學入手,開發出一款名為Grabity的虎鉗——使用者抓住它並擠捏以拾取虛擬物體。該設備只需通過特定的振動,就能讓人產生錯覺,體會到重量和慣性。

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穿戴式:轉化感覺信息

抓取式的設備通常利用的是動覺感受:運動、位置和力的作用產生的感覺,由皮膚、肌肉、肌腱和關節中的神經元傳導。穿戴式設備則利用的是皮下神經傳導的觸覺感受——壓力、摩擦或溫度。

大部分該類裝置都是佩戴在手指上的。當在虛擬現實中觸摸物體時,設備以相應力度按壓指尖。

但是最近有一款設備擁有相同類型的反饋,卻無需覆蓋到指尖的部位。相反,它可以戴在我們戴戒指的手指部位,並且有一塊馬達來拉伸手指皮膚。這樣,我們既能自由地與現實物體交互,也能感知到「虛擬」物體。

在測試中,一個人手持粉筆,在虛擬黑板上「書寫」,並通過觸錯覺感受到手指壓力:當人們看到粉筆接觸黑板並感覺到皮膚被拉伸時,其實他們被指尖的壓力愚弄了。

穿戴式觸覺設備也能通過振動和用戶交流。例如,卡爾伯森的實驗室正在開發一種腕帶,通過振動來引導佩戴者,振動方位即目的方位。神經科學家大衛·伊格曼(David Eagleman)的團隊則開發了一種帶有32個振動電機的背心——VEST。這種背心曾在科幻劇《西部世界》中出現過,它能幫助角色發現正在接近的敵人。

VEST最有前景的應用之一是把聲音轉化為觸覺,使聽障人士更容易理解口語。同樣,各類視覺信息也能轉化為振動,供盲人理解視覺世界。研究者還有一個比較大膽的設想,他們希望VEST能表達更抽象的信息,比如市場行情和環境數據。

不過目前來看,提供振動反饋的電機可能還很笨重。因此,一些實驗室正在開發更舒適的解決方案,比如柔軟的氣動驅動器(SPA)皮膚。它是一片厚度小於2毫米的柔軟硅膠,其中點綴著微小的氣囊。

這些氣囊可以每秒獨立膨脹和放氣幾十次,從而構成觸覺元素的像素——或者說「觸素」,來創造一種網格狀的觸覺。它們可能會讓用戶體驗到置身《頭號玩家》套裝中的那種感覺,或者向用戶反饋機器人的方位或假肢的觸覺。SPA皮膚還嵌入了由新型耐腐蝕合金製成的感測器,當用戶擠壓該皮膚時,SPA皮膚就可以把壓感信號輸入計算機。

還有一種更薄的觸覺薄膜,它的厚度不到半毫米。當薄膜貼於柔性薄片,並對薄膜施加電荷時,薄膜收縮並彎曲薄片,以此對皮膚施加壓力。設備製造商正在應用這種由新型聚偏二氟乙烯塑料製成的材料,生產主打VR的觸覺手套。

除了觸覺感受,肌肉、關節和肌腱的動覺感受也能輸出到設備——比如機器人外骨骼。

如果將FlyJacket穿在手臂上,你就能體驗到飛行的感覺。這款外骨骼在構造上比較簡單:手臂和腰部的部件通過活塞連接。使用者只需移動手臂和扭動軀體,即可控制無人機的飛行。當無人機被風猛吹時,人們甚至可以感受到「風阻」。

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觸摸式:觸手可感

點擊屏幕並獲得振動反饋,這已經是智能手機的標配了。隨著技術的發展,我們能在屏幕上感受到更多觸覺信息嗎?

當然可以。比如,卡爾伯森正在開發一種「數據驅動觸覺」設備,它能逼真地模擬物體表面的粗糙度、硬度和光滑度。這種模擬並不依賴於複雜的算法和物理模型,只需要收集物體划過各種表面材料時的數據。當你用筆划過屏幕時,就能在屏幕上獲得相應的振動反饋——不同的振動對應不同的紋理。該技術的潛在應用包括線購物和虛擬博物館。

觸摸式的屏幕也可以利用錯覺。例如,當按下一個按鈕的圖片時,播放按鈕點擊的音效會讓人覺得按鈕實際上是存在的。或者讓屏幕看起來因手指壓力變形可以使它看起來更柔軟。人們通過將視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺結合在一起來構建感知,正如卡爾伯森所說:「如果你的眾多感官不匹配,那你的大腦就很容易被欺騙。」

這些技術的發展都還在起步階段,但在神經工程和材料科學的進一步推進下,新的觸覺設備很可能超越《頭號玩家》的新奇設定。令人興奮又不安的是,當我們的感官增添更多的維度,恐怕他們也更難離開虛擬現實了。

責任編輯: 時方   來源:果殼 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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