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在虚拟现实里,你甚至可以拥有触觉

VR 技术 黑科技

Matthew Hutson 发表于  2019-03-01 13:43

(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。”计算机科学家希瑟·卡尔伯森(Heather 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。”

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。或者让屏幕看起来因手指压力变形可以使它看起来更柔软。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。”

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)

编译来源

Knowable Magazine, Reaching out to touch virtual reality

热门评论

  • 2019-03-01 14:44 Karlson

    用任何东西来模拟触觉,都不是终极解决之道。指尖的碰触,你可以通过戒指来模拟,但是那只能“单点”模拟,也就是说,你能模拟几个指头的触觉,不能模拟整条手臂的触觉。另外触觉除了压感之外,还有冷热、疼痛这样的感觉,要全做成模拟,那得多庞大的设备群来支持?

    我觉得,真正的触觉模拟,应该是直接从神经层面进行修改。可以精密的实现对各个部位各种状态的模拟。飞行时,我能感觉到气流的托举力,还能感觉迎面而来的风力,还能感受腹背面不同阳光照射下的温差,随着“高度”的变化,我还能感觉耳膜的压感变化,防寒服外的冷热变化……

    将来,触觉的神经模拟,应该是最终极的体验了。

    [11] 评论
  • 2019-03-01 15:07 天降龙虾
    引用文章内容: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。

    不用担心,我们很好。。。。

    [5] 评论

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全部评论(17)
  • 1楼
    2019-03-01 14:44 Karlson

    用任何东西来模拟触觉,都不是终极解决之道。指尖的碰触,你可以通过戒指来模拟,但是那只能“单点”模拟,也就是说,你能模拟几个指头的触觉,不能模拟整条手臂的触觉。另外触觉除了压感之外,还有冷热、疼痛这样的感觉,要全做成模拟,那得多庞大的设备群来支持?

    我觉得,真正的触觉模拟,应该是直接从神经层面进行修改。可以精密的实现对各个部位各种状态的模拟。飞行时,我能感觉到气流的托举力,还能感觉迎面而来的风力,还能感受腹背面不同阳光照射下的温差,随着“高度”的变化,我还能感觉耳膜的压感变化,防寒服外的冷热变化……

    将来,触觉的神经模拟,应该是最终极的体验了。

    [11] 评论
  • 2楼
    2019-03-01 15:07 天降龙虾
    引用文章内容: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。

    不用担心,我们很好。。。。

    [5] 评论
  • 3楼
    2019-03-01 16:04 q68257962

    虚拟现实里能写代码然后编译运行吗?

    [1] 评论
  • 4楼
    2019-03-02 09:40 纯银波波沙

    人类在模拟上真是不遗余力呢,都给男人开发出模拟生小孩装置了。

    不过有生之年可能可以看到不用手柄而是更精细操作的VR设备商业化

    [0] 评论
  • 5楼
    2019-03-02 10:28 Karlson
    引用@天降龙虾 的话:不用担心,我们很好。。。。

    我也觉得还可以修改神经信号,直接让大脑以为我们在运动,加快代谢速度,达到减肥的效果。只不过这个过程可能比真正的运动更让人觉得不舒服。另外就是肌肉的增加,这个不好弄,肌肉量的增加,肌纤维增粗,现在的运动都是拉断肌纤维,然后修复过程中增加增大的。这是物理变化,没法通过修改神经信号这样的魔法手段来实现。

    [0] 评论
  • 6楼
    2019-03-03 15:09 汉尼拔wang
    引用文章内容:工程师们正致力于为电子游戏创造真实的触觉感受

    坐等“真实”的足球游戏~

    引用文章内容:VEST最有前景的应用之一是

    ——岛国爱情动作片!

    引用文章内容: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。

    用软键盘时如果没有音效我会感觉按在空气里~

    [0] 评论
  • 7楼
    2019-03-04 11:06 天降龙虾
    引用@Karlson 的话:我也觉得还可以修改神经信号,直接让大脑以为我们在运动,加快代谢速度,达到减肥的效果。只不过这个过程可能比真正的运动更让人觉得不舒服。另外就是肌肉的增加,这个不好弄,肌肉量的增加,肌纤维增粗,现在的运动...

    你干脆直接给人喂瘦肉精好了。。。死宅当然不是健康的生活方式,但并不意味着选择这种生活方式的人适应能力就一定更差啊。。。。别戴有色眼镜看人好吧。。。

    [1] 评论
  • 8楼
    2019-03-04 13:38 Karlson
    引用@天降龙虾 的话:你干脆直接给人喂瘦肉精好了。。。死宅当然不是健康的生活方式,但并不意味着选择这种生活方式的人适应能力就一定更差啊。。。。别戴有色眼镜看人好吧。。。

    额,我这些话里并没有哪一句是戴有色眼镜看人的吧?

    我只是觉得可以通过篡改一些神经信号,让大脑误以为是在进行运动,这样大脑就会调集资源、分配各项功能的工作任务,这样应该可以实现躺着就把能量给消耗掉了,而不是累积起来啊。只是觉得肌肉的增加和增粗,通过这种方式没法实现。

    [0] 评论
  • 9楼
    2019-03-04 16:14 天降龙虾
    引用@Karlson 的话:额,我这些话里并没有哪一句是戴有色眼镜看人的吧?我只是觉得可以通过篡改一些神经信号,让大脑误以为是在进行运动,这样大脑就会调集资源、分配各项功能的工作任务,这样应该可以实现躺着就把能量给消耗掉了,而不...

    那么,是谁告诉你,死宅就一定需要减肥的???

    [0] 评论
  • 10楼
    2019-03-04 17:42 Karlson
    引用@天降龙虾 的话:那么,是谁告诉你,死宅就一定需要减肥的???

    这……

    我真没想到,这样也能惹上麻烦。幸好我不是名人,不然还真被你抓住小辫子了。

    死宅不代表一定肥,修改神经信号,欺骗大脑,也不一定就必须是为了减肥才这么做,也可以欺骗大脑,让大脑以为是在运动,增加肺活量,加速新陈代谢,促进身体健康也可以。

    能不能别抓我的小辫子了?我真没死宅一定肥的的这个意思,只是顺着就讲欺骗大脑可以达到的效果而已。就请你别反推下面说了减肥,就一定说明宅就肥了。

    [0] 评论
  • 11楼
    2019-03-04 19:16 天降龙虾
    引用@Karlson 的话:这……我真没想到,这样也能惹上麻烦。幸好我不是名人,不然还真被你抓住小辫子了。死宅不代表一定肥,修改神经信号,欺骗大脑,也不一定就必须是为了减肥才这么做,也可以欺骗大脑,让大脑以为是在运动,增加肺活量...

    没事杠一杠,消食。。。。

    [0] 评论
  • 12楼
    2019-03-05 11:00 CBP

    话说考虑到最近无极2那篇反安慰剂效应的文章......我突然想到越来越逼真的模拟,会不会在游戏人物摔死或者被打死的时候,由于反安慰剂效应而把玩家给真的吓得瞬间猝死了.

    [0] 评论
  • 13楼
    2019-03-06 17:25 疯癫的双面镜1
    引用@CBP 的话:话说考虑到最近无极2那篇反安慰剂效应的文章......我突然想到越来越逼真的模拟,会不会在游戏人物摔死或者被打死的时候,由于反安慰剂效应而把玩家给真的吓得瞬间猝死了.

    在关于真实度这方面,在将来的运用中肯定是会有着关于真实度上限的法律,为了不使使用者发生混淆现实的感觉,真实度大概必定会固定的调整到完全无法欺骗到大脑的程度。

    [0] 评论
  • 14楼
    2019-03-06 19:12 长乐未央呀

    虚拟要越来越完善,宅的人会越来越多了

    [0] 评论
  • 15楼
    昨天15:48 上条大雄
    引用@Karlson 的话:用任何东西来模拟触觉,都不是终极解决之道。指尖的碰触,你可以通过戒指来模拟,但是那只能“单点”模拟,也就是说,你能模拟几个指头的触觉,不能模拟整条手臂的触觉。另外触觉除了压感之外,还有冷热、疼痛这样的...

    然后就是“缸中之脑”和《黑客帝国》的剧情了吧……

    [0] 评论
  • 16楼
    昨天16:29 拼音佳佳

    车辆驾驶转向的超重效果没法模拟的吧...

    比如摩托车驾驶模拟,车身倾斜,这个模拟不了.

    [0] 评论
  • 17楼
    昨天17:50 Karlson
    引用@上条大雄 的话:然后就是“缸中之脑”和《黑客帝国》的剧情了吧……

    差不多吧,但是这个脑子其实没什么用了,到这个程度,人基本上就是依附于机器人生存的寄生虫。当然,要到这个程度,我想,即使到AI取代我们全部工作的那天,我们也还是做不到真正能模拟“一切”,因为这几乎要破解人的所有神经信号

    [0] 评论

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Matthew Hutson
Matthew Hutson 现居纽约的科普作家

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