在元宇宙中實(shí)感“擼貓”！騰訊研發(fā)可穿戴觸感系統(tǒng)，高保真呈現(xiàn)各種觸覺

智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）

編譯 | 劉柏涵

編輯 | 程茜

智東西10月26日消息，近日，由香港城市大學(xué)牽頭的合作研究團(tuán)隊(duì)與騰訊Robotics X機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)了一種可穿戴的觸覺渲染系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以模仿觸覺，擁有高空間分辨率和快速響應(yīng)能力，未來可應(yīng)用于盲文識(shí)別、VR購(gòu)物與游戲、航天員和其他工作人員的厚手套上。它能夠讓使用者感知更加精細(xì)的觸覺，提升使用者的體驗(yàn)感。

▲電觸覺渲染系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

人類的體感系統(tǒng)能夠以毫米級(jí)的空間分辨率和亞毫秒級(jí)的時(shí)間精度感知所觸摸物體的信息，人類的皮膚要比其他的感知系統(tǒng)更加靈敏。目前承載能夠達(dá)到與人類體感系統(tǒng)類似精度的觸覺技術(shù)的設(shè)備，既不便攜又不容易獲得，而這款新型觸覺渲染系統(tǒng)則有效解決了這一問題。

研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)頂刊Science的子刊Science Advances上發(fā)表了名為《Super-resolution wearable electrotactile rendering system(超分辨率可穿戴電觸覺渲染系統(tǒng))》的論文。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8738

一、電觸覺刺激器反應(yīng)速度快，但其電壓過高或帶來安全隱患

隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸獲得了視覺和聽覺上的豐富體驗(yàn)，能夠通過LCD顯示器和OLED顯示器看到真實(shí)的圖像，還能通過錄音設(shè)備聽到大自然的真實(shí)聲音。與視覺和聽覺設(shè)備的發(fā)展相比，盡管目前已經(jīng)出現(xiàn)了高分辨率、高靈敏度、高時(shí)間精度和多種傳感方式的觸覺傳感器，但人們目前仍然缺少一種能夠真實(shí)呈現(xiàn)和記錄皮膚觸覺的可穿戴設(shè)備。

現(xiàn)有的觸覺渲染系統(tǒng)可大致分為兩類，即機(jī)械刺激系統(tǒng)和電刺激系統(tǒng)。

機(jī)械刺激系統(tǒng)的工作原理是機(jī)械驅(qū)動(dòng)器通過施加局部的機(jī)械力或振動(dòng)，以引起人體穩(wěn)定和連續(xù)的觸覺感覺。然而，這些機(jī)器往往很笨重，在集成到便攜式或可穿戴設(shè)備時(shí)嚴(yán)重限制了觸覺渲染系統(tǒng)的空間分辨率。此外，由于驅(qū)動(dòng)模式的原因，線性馬達(dá)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器等機(jī)械驅(qū)動(dòng)器的效率較慢，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

相比之下，搭載電觸覺刺激器的設(shè)備使用局部電流通過人的皮膚，會(huì)刺激電極位置處的皮膚觸感，能夠提供更高的分辨率和更快的反應(yīng)速度。但它們中的大多數(shù)設(shè)備依靠高達(dá)數(shù)百伏的高壓直流脈沖來穿透皮膚最外層的角質(zhì)層，以刺激感受器和神經(jīng)，這帶來了安全問題。

二、新系統(tǒng)可高保真呈現(xiàn)各種觸覺，有效性得到驗(yàn)證

為了解決上述問題，該研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個(gè)搭載新的電觸覺渲染系統(tǒng)的電觸覺刺激器。該電觸覺刺激器中還安裝了連續(xù)校準(zhǔn)程序，以確保電刺激的程度在用戶的舒適范圍內(nèi)。

▲電觸覺渲染系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1、電觸覺刺激引發(fā)各種感覺，可模擬真實(shí)的人類皮膚觸感

為了模擬自然的觸覺，首先需要了解皮膚有感知的過程。當(dāng)皮膚受到外力作用而變形時(shí)，機(jī)械敏感離子通道會(huì)被打開，會(huì)使機(jī)械感受器的體細(xì)胞去極化，從而觸發(fā)動(dòng)作電位。動(dòng)作電位再經(jīng)過周圍神經(jīng)束傳播到體感皮層。

▲人類皮膚觸覺感知示意圖

新型的電觸覺刺激器模擬了人體皮膚感受觸覺的過程，它可以高保真地反應(yīng)不同的觸感，例如壓力、振動(dòng)和紋理粗糙度等。此外，該刺激器還非常的薄和靈活，可以輕松集成到手指套中。

該團(tuán)隊(duì)不使用直流脈沖，而是開發(fā)了一種高頻交流刺激方法，并成功地將電觸覺刺激器的工作電壓降低到30伏以下，能夠確保觸覺渲染安全舒適。

隨著電觸覺刺激的波形、頻率、持續(xù)時(shí)間和位置發(fā)生變化，不同的刺激會(huì)誘發(fā)人體的各種感覺，包括抖動(dòng)、撫摸、刺痛和瘙癢等。

▲電觸覺傳感示意圖

2、電極陣列+橡膠指套組成電觸覺裝置，可覆蓋人類觸覺強(qiáng)度范圍

新型的電觸覺裝置由一個(gè)電極陣列和一個(gè)橡膠指套組成。其中5×5指尖電極陣列由25個(gè)半球形的金屬凸塊制成，被集成在一塊很薄的柔性印刷電路上。指尖電觸覺裝置可應(yīng)用在盲人識(shí)字上，讓盲人通過指尖電觸覺裝置感知筆畫的方向和順序來識(shí)別電腦等設(shè)備呈現(xiàn)出的字母。

此外，由于電極陣列具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性，它還可以覆蓋像手掌這樣的更大區(qū)域，可應(yīng)用在VR世界里，讓用戶的手掌感受到更多的虛擬觸覺。

這兩種電極陣列都和人體皮膚直接接觸，而像應(yīng)用在航天員和其他人員的厚手套上的電極陣列則安裝在手套外面。

▲5×5指尖電極陣列和橡膠指套

通過一種高頻調(diào)制技術(shù)，電觸覺刺裝置發(fā)出的13至28伏低刺激電壓就足以覆蓋從輕微觸摸到尖銳刺痛之間的觸覺范圍。

此外，研究人員還在電觸覺裝置中加入了一個(gè)閉環(huán)反饋電路，使他們的觸覺渲染系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)電極陣列上不斷變化的電流，從而呈現(xiàn)出一種穩(wěn)定的觸感。

該電觸覺裝置能夠顯示出與人類觸覺類似的空間分辨率和更高的刷新率，并能夠涵蓋人類全部的觸覺強(qiáng)度范圍。

▲人類觸覺和電觸覺渲染裝置在空間分辨率、刷新率和強(qiáng)度范圍上的比較

3、渲染系統(tǒng)經(jīng)過多角度的有效性評(píng)估，感受觸覺水平達(dá)到新高度

該電觸覺渲染系統(tǒng)的有效性是通過一項(xiàng)用戶研究來評(píng)估的。研究團(tuán)隊(duì)邀請(qǐng)了20名志愿者進(jìn)行觸覺識(shí)別試驗(yàn)，包括對(duì)不同強(qiáng)度、粗糙度、紋理和其他復(fù)雜的圖案的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)證明，該電觸覺渲染系統(tǒng)喚起觸覺的能力、對(duì)持續(xù)時(shí)間的精細(xì)控制是前所未有的。

三、可應(yīng)用于盲文、虛擬世界、航天領(lǐng)域

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了不同的測(cè)試，以展示這種新型電觸覺渲染系統(tǒng)可應(yīng)用在各種領(lǐng)域。例如，他們提出了一種新的盲文顯示方法，能讓視力受損的人更容易學(xué)習(xí)。

該方法將字母和數(shù)字分解為單獨(dú)的筆畫，并將它們以正常的書寫順序進(jìn)行排列。盲人用戶將新的電觸覺裝置戴在指尖上，可以感知筆畫的方向和順序，以此來識(shí)別字母或數(shù)字。

領(lǐng)導(dǎo)該研究的楊正寶博士說：“我們的電觸覺渲染系統(tǒng)對(duì)晚年失明的人特別有用，可以讓他們繼續(xù)使用原來習(xí)慣的字母系統(tǒng)進(jìn)行讀寫，而無需學(xué)習(xí)整個(gè)盲文系統(tǒng)。”

▲盲人寫字實(shí)驗(yàn)

其次，該電觸覺渲染系統(tǒng)非常適合VR/AR頭顯的應(yīng)用和游戲，它可以加強(qiáng)人們?cè)谔摂M世界中的觸覺感受。

該團(tuán)隊(duì)也對(duì)其進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)：用戶可以在虛擬時(shí)裝店中虛擬感知衣服的質(zhì)地;當(dāng)被虛擬貓?zhí)驎r(shí)，用戶還會(huì)感受到指尖發(fā)癢的感覺;當(dāng)撫摸虛擬貓的皮毛時(shí)，用戶可以感覺到方向、速度和粗糙度的變化。

▲虛擬世界實(shí)驗(yàn)

該團(tuán)隊(duì)成功地將電觸覺渲染系統(tǒng)的電極集成到安全手套上的柔性觸覺傳感器中。這樣觸覺傳感器的電極陣列就可以捕捉手套外部的壓力分布，并通過觸覺刺激器將信息實(shí)時(shí)傳遞給用戶。

在實(shí)驗(yàn)中，用戶可以根據(jù)手套與傳感器、刺激器的觸覺反饋，快速準(zhǔn)確地找到一個(gè)半徑為1毫米、厚0.44毫米的微型鋼墊圈。該實(shí)驗(yàn)顯示了新的電觸覺渲染系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高保真觸覺感知方面的潛力。未來，這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在航天員、消防員、深海潛水員和其他需要穿厚防護(hù)服或手套的人的工作中。

結(jié)語：電觸覺渲染系統(tǒng)適用性強(qiáng)，感知精度水平達(dá)到新高度

新型的電觸覺渲染系統(tǒng)具有高空間分辨率和快速刷新率，并且在感知精度上也達(dá)到了新的高度，或能為以后的觸覺感知系統(tǒng)的研究帶來更多的可能性。

此外，該系統(tǒng)的適用性也很強(qiáng)，未來它或許能促進(jìn)信息傳輸、娛樂、教育、培訓(xùn)和遠(yuǎn)程操作等領(lǐng)域的發(fā)展。

來源：Tech Xplore、Science Advances

來源：智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）

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