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用“折紙”技藝實(shí)現(xiàn)觸覺感知

我科學(xué)家在虛擬現(xiàn)實(shí)交互領(lǐng)域取得重要突破

光明日?qǐng)?bào)記者 晉浩天 光明日?qǐng)?bào)通訊員 徐珊

提起元宇宙，大家最直觀的感知，或許還是一個(gè)只能在視覺上模擬真實(shí)世界的VR眼鏡。但讓人沒想到的是，古老的東方手工技藝“折紙”，率先實(shí)現(xiàn)了從虛擬到真實(shí)的關(guān)鍵突破。西湖大學(xué)姜漢卿團(tuán)隊(duì)在國際上首次提出并開發(fā)了“高保真主動(dòng)機(jī)械觸感交互系統(tǒng)”，為元宇宙帶來了全新的觸覺感知維度。這項(xiàng)研究成果日前發(fā)表于《自然-機(jī)器智能》。

借鑒“折紙”藝術(shù)，讓VR眼鏡里的虛擬世界不僅可見、可聽，還可“觸摸”。這一切，是怎么發(fā)生的？

“觸”不可及的失真“宇宙”

當(dāng)前的VR交互，僅可提供視覺與聽覺體驗(yàn)，呈現(xiàn)的是一個(gè)僅可遠(yuǎn)觀、卻無法觸碰的虛擬空間。研究者們?cè)?jīng)嘗試過很多種“解決”方案，大多是通過震動(dòng)或壓力代償創(chuàng)造“被動(dòng)觸感”：例如具有振動(dòng)功能的手柄，以及觸覺感知手套等。然而，這些“觸感”就如同你的手機(jī)忽然振動(dòng)了一下，或者是坐在4D電影院里突然感受到座椅的晃動(dòng)，你的體感都是由設(shè)備發(fā)出、給予你一種被動(dòng)的交互體驗(yàn)，距離日常生活中真實(shí)的、由人類主動(dòng)觸發(fā)的“觸覺”差距甚遠(yuǎn)。

這似乎也呼應(yīng)了人類在觸覺理解上的艱難進(jìn)度條——2021年，美國生理學(xué)家戴維·朱利葉斯與亞美尼亞裔美國神經(jīng)科學(xué)家阿德姆·帕塔普蒂安因揭開了觸覺的神秘面紗，獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)——而聽覺與視覺，早在20世紀(jì)60年代就已揭秘，問鼎諾獎(jiǎng)。

撬動(dòng)VR世界的星辰大海

那么，最前沿的VR和元宇宙，怎么會(huì)因?yàn)閭鹘y(tǒng)的折紙藝術(shù)而破局？

姜漢卿2021年加盟西湖大學(xué)后，最早啟動(dòng)的課題之一就是柔性電子與軟/硬異質(zhì)性材料研究，他首次將“折紙機(jī)械超材料”概念帶入大眾視野。所謂“機(jī)械超材料”，是指并非自然形成，而是人為構(gòu)造的材料結(jié)構(gòu)，材料的性能不依賴于分子結(jié)構(gòu)或者晶體結(jié)構(gòu)本身，主要依賴于其精巧構(gòu)型里的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

從事“折紙研究”十年之久，又感知到了元宇宙的蓬勃發(fā)展，姜漢卿萌生了把兩者結(jié)合起來的念頭?！罢奂埐牧峡赡芎苘洠且蕾囉诓煌郫B方式，折紙結(jié)構(gòu)又會(huì)變得很硬，基于折紙結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，就可以隨時(shí)調(diào)節(jié)軟硬程度。”

擺脫當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)交互的固有思維定勢(shì)，姜漢卿創(chuàng)造了“主動(dòng)觸覺”這個(gè)新概念——不同于肩、胸、腰、背等人類身體通常接收“被動(dòng)觸覺”的部位，人的手和腳通常是主動(dòng)出擊，通過主動(dòng)觸摸去感知物理世界。研究團(tuán)隊(duì)選擇從“機(jī)械觸感”入手，模擬手和腳主動(dòng)觸摸物體時(shí)的感覺。

研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套“高保真主動(dòng)機(jī)械觸感交互系統(tǒng)”，利用不同材質(zhì)、不同尺寸的折紙模塊搭建了兩種不同維度的交互裝置：一種可引發(fā)局部觸感的手持式裝置，與一種可以產(chǎn)生全身體感的腳踏式裝置。在使用手持式交互裝置時(shí)，用戶可通過主動(dòng)抓握，體驗(yàn)其所交互的不同物品的軟硬程度；在使用腳踏式裝置時(shí)，用戶則可通過主動(dòng)踩踏，以全身運(yùn)動(dòng)的形式體驗(yàn)其所處的環(huán)境地面特性。

這種主動(dòng)機(jī)械觸感的實(shí)現(xiàn)，源于硬件設(shè)備內(nèi)部曲面折紙結(jié)構(gòu)在交互過程中，由用戶主動(dòng)觸發(fā)的被動(dòng)變形——在電機(jī)的配合作用下，曲面折紙能彎曲成不同的角度，也會(huì)產(chǎn)生不同大小的反力，從而給予用戶手足不同的“彈性”反饋。

向虛擬世界伸出精妙之“手”

如果說，這項(xiàng)研究中最大的創(chuàng)意來自“折紙”，那么，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的最大挑戰(zhàn)就來自“怎么折”——既能完美實(shí)現(xiàn)主動(dòng)觸感，又能集成于有限空間。就像現(xiàn)實(shí)世界的折紙一樣，人人都會(huì)，但只有那心靈手巧的藝人，才能展現(xiàn)其精妙之處。

在姜漢卿實(shí)驗(yàn)室，有一個(gè)“手持式裝置”——形狀像一個(gè)球，5個(gè)位點(diǎn)對(duì)應(yīng)人的5個(gè)手指，每一個(gè)位點(diǎn)下面就是呈現(xiàn)“X”形狀交叉兩片成組的曲線折紙塑料片；10個(gè)塑料片，全靠一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，以扭轉(zhuǎn)成各種不同角度，形成不同的“軟硬度”。與之配套的腳踏式裝置，原理一樣，差別在于踏板下是鋼片，數(shù)量更多、矩陣排布，通過拉繩方式改變曲線折紙的角度以改變剛度。

這些設(shè)備里沒有任何昂貴或罕見的器件。無論是“手球”里的塑料片，還是“踏板”中的鋼片，均為網(wǎng)購，可以被替換為任何有彈性的材料。核心器件就是可以根據(jù)虛擬場(chǎng)景而相應(yīng)變化的曲線折紙。如果核心結(jié)構(gòu)一致，交互的硬件設(shè)備也可以放大或縮小。這意味著一旦找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景，它將有望快速進(jìn)入生產(chǎn)市場(chǎng)。

研究的最后一步，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了人體感受表征驗(yàn)證，包括“主觀”的用戶調(diào)查和“客觀”的肌電圖、心率測(cè)量。這一表征驗(yàn)證詳細(xì)記錄了體驗(yàn)者在虛擬冰面破裂時(shí)，心跳急速變快的真實(shí)生理反應(yīng)。那一刻踏板突然塌陷，讓人瞬間產(chǎn)生踏空墜落的恐懼感。虛擬世界，就這樣創(chuàng)造出了真實(shí)世界的完美觸感。

姜漢卿團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，為虛擬現(xiàn)實(shí)交互提供了全新的模式與體驗(yàn)，為超材料在元宇宙中的進(jìn)一步集成提供了指導(dǎo)方案，也有望拓展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在娛樂、遙操作、醫(yī)療診治與康復(fù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

接下來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)找到多模式的感知，還原更完整的觸覺，在形態(tài)上，他們正在嘗試和柔性電子整合，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)觸覺與被動(dòng)觸覺的結(jié)合，以及努力用折紙實(shí)現(xiàn)更大尺度體驗(yàn)，在更大場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)交互?！氨热缭谟螒蛑幸T摩托車，能不能直接從地面‘長出’可以觸摸到的摩托車來……”姜漢卿說。

《光明日?qǐng)?bào)》（ 2023年06月05日?04版）