原創(chuàng)R星人 VRAR星球

維克多專欄

◆ 本文為VRAR星球原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系 ◆

VR 交互不使用傳統(tǒng)的物理輸入技術(shù)，如鍵盤、鼠標(biāo)、手柄或觸摸屏等，而是通過觸覺技術(shù)，使用戶完成輸入，以達(dá)到在虛擬空間交互中，能夠再現(xiàn)觸覺感受。

據(jù)國際著名技術(shù)研究與咨詢公司Technavio 分析，預(yù)計(jì) 2021 年到 2025 年間，VR觸覺技術(shù)市場增長將超158.4億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)15.96%。

圖：Technavio的分析報(bào)告

近年來，在全球嶄露頭角的一些最具創(chuàng)新性的VR 觸覺技術(shù)，將會塑造行業(yè)的未來。
上周，維克多專欄已經(jīng)介紹了

英國格拉斯哥大學(xué)新近研發(fā)完成的氣動觸覺技術(shù)

接下來，我們將分三篇系列文章，為大家介紹柔性電子皮膚觸覺技術(shù)。今天帶來該系列的第一篇：皮膚VR。

皮膚VR

一個(gè)以香港城市大學(xué)為主并聯(lián)合了中外眾多高校的研究團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)了一種柔性電子皮膚。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是年僅34歲的年輕中國學(xué)者香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系助理教授、博導(dǎo)于欣格。

柔性電子皮膚的靈感來自電影《頭號玩家》。電影中，所有人生活在虛擬和現(xiàn)實(shí)之間。通過特殊的VR裝備，人們可以控制游戲中自己的化身，進(jìn)行賽車等各種各樣的活動，甚至和其他角色進(jìn)行親密接觸。于欣格認(rèn)為，這類科幻電影中的場景同樣能夠成為現(xiàn)實(shí)。解決思路是利用柔性電子皮膚，制備一套觸覺反饋系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的電子原器件輕薄化、小型化、可拉伸化，制成像皮膚一樣的超薄可穿戴器件。于欣格團(tuán)隊(duì)據(jù)此開發(fā)了一種可以集成在人造皮膚上的無線觸覺反饋系統(tǒng)，也被稱作“皮膚VR”。

這項(xiàng)成果得到國際同行認(rèn)可，論文《皮膚集成無線觸覺界面在VR和AR中的應(yīng)用》（Skin-integtated wireless haptic interfaces for virtual and augmented reality），在2019年11月20日《自然》（Nature）雜志上發(fā)表。

圖：論文《皮膚集成無線觸覺界面在VR和AR中的應(yīng)用》

當(dāng)下，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)主要通過視覺和聽覺刺激來創(chuàng)造體驗(yàn)。但比起眼睛和耳朵，皮膚是人體面積最大的感官系統(tǒng)，透過觸覺感應(yīng)外界環(huán)境，會產(chǎn)生更佳體驗(yàn)效果。 越來越多的研究者將電子皮膚視為讓虛擬世界觸手可感的突破口，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不容易，這對電子皮膚的材質(zhì)、使用便攜度、傳感的精確度都是極大考驗(yàn)。

于欣格說：“我們的目標(biāo)是研發(fā)出媲美真人皮膚的電子皮膚。與市面上同類設(shè)備相比，這個(gè)新系統(tǒng)十分輕薄，可以緊貼皮膚，而且不需要電線和電池?！?這套以電子皮膚為媒介的VR系統(tǒng)，集合了傳感器、振動磁鐵和無線發(fā)射裝置，厚度小于3毫米，輕薄柔軟，可以連接到身體任何部分，并將其轉(zhuǎn)化為基于觸覺的 VR 輸入系統(tǒng)。皮膚VR的反應(yīng)速度快得令人難以置信，在 Wi - Fi 環(huán)境下操作時(shí)，僅需要 350 微秒就能傳達(dá)信號，比平均 550 微秒的人體自然反應(yīng)還要快。

圖：皮膚VR可直接貼在皮膚上

皮膚VR，外觀上酷似一塊如同人類皮膚的、透氣又可伸展的布料。它的表面以低模量的軟硅膠覆蓋，可以直接貼在皮膚上，也可輕易取下，還能以織物形式做成輕薄衣裳。

圖：皮膚VR酷似透氣且可伸展的布料

輕薄的3毫米電子皮膚內(nèi)，藏有層層裝置與天線，為無線控制和充電系統(tǒng)提供了支援。

圖：3毫米“皮膚”內(nèi)的技術(shù)內(nèi)容

電子皮膚內(nèi)有互相連結(jié)的“按鈕”狀致動器（actuators），每個(gè)致動器都接通射頻天線，以無線方式傳遞信息和供電。致動器發(fā)出的振動頻率以毫米計(jì)，只需1.75毫瓦功率便能誘發(fā)觸感，僅需市面現(xiàn)有致動器功率的2%。配套軟件一旦收到指令，就會迅速將訊息傳遞到致動器，使用者便可感到觸感。

圖：1.75毫瓦功率誘發(fā)傳感

通過無線操控電子器件，皮膚VR可產(chǎn)生機(jī)械振動。研究人員需要把振動頻率調(diào)節(jié)在人容易感受的范圍內(nèi)，讓人感覺到適當(dāng)?shù)挠|覺。

于欣格說，電影《頭號玩家》中薩曼莎用手滑過韋德肩膀時(shí)，玩家感覺到的真實(shí)觸感需要器件提供反饋。要想清晰獲取手滑動皮膚的感覺，就要對器件的密度有更高要求。

2019年論文發(fā)表時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)做到了在一塊6×6英寸大小的皮膚VR中集成32個(gè)振動反饋單元。

圖：在6×6英寸大小的皮膚VR中集成32個(gè)振動反饋單元

一年后，在同樣大小的皮膚中，振動反饋單元已從32個(gè)發(fā)展到1000個(gè)，這可以讓使用者獲得更多真實(shí)的觸感。目前，研究團(tuán)隊(duì)已將單個(gè)反饋單元做到毫米量級，幾乎達(dá)到了人體皮下觸覺反饋器的分布極限，也就是說達(dá)到了人體分辨的極限，反饋的觸感也便更為真實(shí)自然。

圖：皮膚VR原理圖示

皮膚VR使用無線射頻供電。致動器可以在一定距離內(nèi)，通過外置的大型可活動天線，以無線射頻方式取電。使用者身上的VR裝置無需連接任何電線，可自由移動。還采用了特殊的電路電子設(shè)計(jì)，可以讓VR系統(tǒng)在一個(gè)10平米的房間內(nèi)無線供電。致動器采用了先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)，只需低于2毫瓦的功率就能引起明顯振動。而一般直流電驅(qū)動的致動器，需要約100毫瓦的功率，才能產(chǎn)生相同水平的振動。為使用戶在購買VR設(shè)備時(shí)，不必再買一個(gè)射頻裝備，開發(fā)第二代產(chǎn)品時(shí)，研究人員將VR設(shè)備的供電形式改成了充電式，以方便使用。

下周，維克多專欄將為大家介紹皮膚VR可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域，敬請關(guān)注！

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