觸覺整合的未來 超越VR和AR視覺

先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和擴(kuò)增實(shí)境（AR）如今在專業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用，尤其是與觸覺相結(jié)合時(shí)；在即將到來的時(shí)代，我們的數(shù)字互動(dòng)的觸覺細(xì)微差別將與現(xiàn)實(shí)變得難以區(qū)分。

先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）以其復(fù)雜的圖形和音頻欺騙我們的感官，使我們對(duì)虛擬提示做出本能的反應(yīng)。雖然VR和擴(kuò)增實(shí)境（AR）的顯著足跡是在游戲領(lǐng)域，但現(xiàn)在在專業(yè)領(lǐng)域中也發(fā)揮著舉足輕重的作用，尤其是與觸覺相結(jié)合時(shí)。

這種技巧的結(jié)合，讓我們不僅可以虛擬地觸摸物體，還可以辨別它的質(zhì)地、溫度和阻力。這種觸覺回饋在專業(yè)應(yīng)用中變得至關(guān)重要：例如，外科醫(yī)生需要在遠(yuǎn)程手術(shù)期間量測(cè)阻力，技術(shù)人員在衛(wèi)星維修期間需要有形的抓握保證，自動(dòng)化工程師在使用虛擬控制面板時(shí)也需要尋求觸覺確認(rèn)。

從本質(zhì)上講，隨著VR和AR的成熟，它們提供細(xì)致入微的物理回饋在精確任務(wù)中變得至關(guān)重要。在即將到來的時(shí)代，我們的數(shù)字互動(dòng)的觸覺細(xì)微差別將與現(xiàn)實(shí)變得難以區(qū)分。


觸覺手套、套裝和椅子
第一個(gè)廣泛采用的觸覺技術(shù)是強(qiáng)制反饋觸覺手套。許多制造商提供觸覺手套，可對(duì)手指和手部運(yùn)動(dòng)提供編程的阻力，讓用戶感受到虛擬物體的大小、密度和重量。它們使用磁力摩擦片來實(shí)現(xiàn)阻力和物體的感覺。有些手套可以提供高達(dá)20N的力，可模擬2公斤磚塊加在每個(gè)手指上的重量。有些手套甚至具有溫度控制功能，使用戶能夠感受到遠(yuǎn)程物體的溫度。

觸覺手套必須快速反應(yīng)，且延遲最小。當(dāng)使用者使用沉浸式技術(shù)來培訓(xùn)危險(xiǎn)工作時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)樗梢宰屗麄冊(cè)跊]有高風(fēng)險(xiǎn)的情況下體驗(yàn)高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景。這種低延遲意味著用戶可以在實(shí)時(shí)執(zhí)行手勢(shì)時(shí)感受到阻力或其他感覺。

VR和AR頭盔使用加速計(jì)來追蹤頭部運(yùn)動(dòng)，而手套可以使用加速計(jì)、反射計(jì)或視訊。反射計(jì)可以透過使用一個(gè)或多個(gè)紅外線發(fā)射器對(duì)兩個(gè)（或多個(gè)）紅外線傳感器進(jìn)行三角測(cè)量來感應(yīng)位置，這些發(fā)射器可以位于耳機(jī)、游戲機(jī)或手套中（圖一）。


 
圖一 : 作者制作的一款運(yùn)動(dòng)感應(yīng)手套，它在重點(diǎn)位置使用紅外線發(fā)射器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌胤降膫鞲衅?，而其他運(yùn)動(dòng)感應(yīng)手套可以在手套上嵌入傳感器，并從放置在其他地方的兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射器進(jìn)行三角量測(cè)。（source：Jon Gabay）

感知運(yùn)動(dòng)、手勢(shì)和觸摸，只是解決了問題的一半；另一半就是要?jiǎng)?chuàng)造出佩戴者的身體感覺。為此目的開發(fā)了幾種令人興奮的技術(shù)，包括磁力（類似于揚(yáng)聲器紙盆運(yùn)動(dòng)）、振動(dòng)致動(dòng)器、壓電數(shù)組和微流體，有些系統(tǒng)甚至使用聲波產(chǎn)生的力場(chǎng)。
同樣，裝有執(zhí)行器的連身衣和背心讓穿著者感受到全身的觸覺刺激。許多公司生產(chǎn)主要針對(duì)游戲市場(chǎng)的觸覺背心，bHaptics TactSuit X40就是這類設(shè)備之一（圖二）；顧名思義，該套裝包含40個(gè)振動(dòng)馬達(dá)，提供身臨其境的感官刺激。


 
圖二 : bHaptics TactSuit X40觸覺背心包含40個(gè)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)感覺刺激器，并提供有線或無線連接。（source：bHaptics）

觸覺椅也能夠提供觸覺體驗(yàn)。這些椅子主要用于游戲和飛行訓(xùn)練等應(yīng)用，可模擬重力、加速度和湍流。

使用聲波產(chǎn)生觸覺
感官錯(cuò)覺技術(shù)已經(jīng)顯著進(jìn)步，讓用戶能夠感覺自己正在動(dòng)態(tài)數(shù)字環(huán)境中真正觸摸物體。值得注意的是，使用超音波發(fā)射器，聲波力場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生會(huì)聚在目標(biāo)上的波前，讓使用者感受到觸覺。

例如，Ultraleap Leap Motion Controller 2就是很好的例證，它透過使用基于視訊的手部追蹤進(jìn)行3D互動(dòng)。其先進(jìn)的視訊成像可偵測(cè)手部動(dòng)作和方向。該控制器可以與超音波換能器數(shù)組配對(duì)，將氣壓引導(dǎo)到特定位置，使用戶能夠感受到從點(diǎn)擊按鈕到握住球的觸覺。

下一步是什么？
所有這些當(dāng)前技術(shù)都預(yù)示著這樣的未來：我們的數(shù)字體驗(yàn)跨越所有感官，融合物理世界和數(shù)字世界。以下是觸覺技術(shù)與其他感覺回饋系統(tǒng)結(jié)合，改變近未來的一些潛在方式：

醫(yī)療復(fù)健與培訓(xùn)
觸覺技術(shù)可以改變身體復(fù)健實(shí)踐。配備觸覺回饋的設(shè)備可以指導(dǎo)患者完成精確的運(yùn)動(dòng)模式。例如，對(duì)于重新學(xué)習(xí)手臂運(yùn)動(dòng)的患者，當(dāng)患者偏離正確姿勢(shì)時(shí)，觸覺裝置可以提供阻力或振動(dòng)提示，使得治療師即使在數(shù)英里之外，也能以數(shù)字方式「感覺」并調(diào)整患者的運(yùn)動(dòng)。

房地產(chǎn)與建筑
觸覺技術(shù)還可以改變房地產(chǎn)參觀與建筑展示的方式，讓他們不僅僅是3D模型和虛擬演示。觸覺技術(shù)可模擬各種材料的感覺，例如木地板的紋理或地毯的柔軟度，可以為數(shù)字游覽提供觸覺層，幫助客戶在無需親自到場(chǎng)的情況下親身感受空間或設(shè)計(jì)。

藝術(shù)與數(shù)字創(chuàng)作
數(shù)字領(lǐng)域的藝術(shù)性將獲得有形的維度。借助觸覺工具，藝術(shù)家可以在虛空間中體驗(yàn)他們正在處理的材料的感覺，無論是黏土的可塑性還是石頭的硬度。這種觸覺接口可以豐富創(chuàng)作過程，使數(shù)字藝術(shù)感覺像傳統(tǒng)方法一樣自然。

教育
觸覺技術(shù)保證了即使在數(shù)字教室中也能進(jìn)行實(shí)作學(xué)習(xí)。學(xué)生將能夠感受到虛擬的研究對(duì)象—從歷史文物的表面到分子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這種額外的教育觸覺層可以促進(jìn)更好的理解和參與。

游戲和娛樂
游戲世界將變得無與倫比，甚至比現(xiàn)在更令人身臨其境。配備觸覺套裝或控制器的游戲玩家不僅會(huì)看到或聽到他們的虛擬環(huán)境，還會(huì)感受到它們。無論是外星球的紋路或是中世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)游戲中箭頭的撞擊，觸覺技術(shù)都會(huì)讓游戲世界變得生動(dòng)。

人際關(guān)系
透過觸覺接口，人際交往中的距離可能會(huì)變得不那么令人畏懼。穿戴式裝置可以仿真實(shí)時(shí)的身體感覺，將簡(jiǎn)單的視訊通話轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M的握手會(huì)話。透過觸覺回饋，一端的輕輕擠壓可以讓另一端感受到一種令人放心的觸摸，從而縮小了數(shù)英里之間的情感差距。
在所有這些領(lǐng)域中，觸覺充當(dāng)數(shù)字和有形之間的橋梁，增強(qiáng)了虛擬互動(dòng)的真實(shí)感。隨著我們的進(jìn)步，觸摸與視覺和聽覺回饋的復(fù)雜結(jié)合將重新定義我們的體驗(yàn)，讓現(xiàn)實(shí)與虛擬更加緊密融合。

結(jié)論
觸覺技術(shù)可以在提高人類能力、保護(hù)工人免受危險(xiǎn)環(huán)境影響、提供系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距醫(yī)療程序等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。微妙的觸覺對(duì)于了解某人何時(shí)使用了足夠的力量或太多的力量至關(guān)重要，這就是高質(zhì)量、準(zhǔn)確的觸覺技術(shù)發(fā)揮作用的地方。
預(yù)計(jì)觸覺技術(shù)將發(fā)展并應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、工廠環(huán)境以及游戲和其他產(chǎn)業(yè)。我們正處于新科技革命的開始。
（本文由貿(mào)澤電子提供）