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      在虛擬現實里,你甚至可以擁有觸覺

      VR 技術 黑科技

      Matthew Hutson 發表于  2019-03-01 13:43

      (郵貍/編譯)虛擬現實=VR眼鏡?這個想法可能早已過時了。

      在主打VR的電影《頭號玩家》中,角色們都戴有觸覺反饋手套,能夠感受到“手中”的虛擬物體。通過全身的VR套裝,他們還能感到施加于身體的沖擊力,甚至愛撫時的溫柔觸碰。如今,這樣的場景都有望實現了,虛擬現實不再局限于視覺和聽覺,也將拓展人類的另一種感官——觸覺。

      電影《頭號玩家》

      工程師們正致力于為電子游戲創造真實的觸覺感受,而在人機交互中增加觸覺技術,也能加強我們對機器的控制,增強假肢的功能,促進教育,方便導航、溝通甚至在線購物。

      “在過去,觸覺技術一直專注于設備的提醒功能,比如手機或手柄的振動反饋。”計算機科學家希瑟·卡爾伯森(Heather Culbertson)說,“但現在應用重點已經變了,人們專注于讓東西摸起來更自然,讓它們有更接近天然材料的觸感,還原自然交互的感覺。”

      三種不同的觸覺設備:抓握式、穿戴式、觸摸式。圖片來源:Knowable Magazine

      抓握式:抓好,抓緊

      不可否認,精準操作機器人是非常困難的,但觸覺設備能助你一臂之力。

      以手術機器人為例,醫生用它實施遠程手術,操作非常精細的工具,或者執行人手無法完成的任務。大量研究表明,給手術機器人添加觸覺反饋能提高手術精度,減少組織損傷和手術時長。觸覺反饋還可以讓醫生在VR手術中進行零風險訓練,同時體驗到實際切割和縫合的感覺。

      迪士尼開發的遠程機器人。圖片來源:DisneyResearchHub

      觸覺式遠程機器人則能實現安全的人機交互。這種技術結合了高清視頻、音頻和交互式組件,并在網絡上創建一種獨特的"面對面"體驗。迪士尼就開發了這樣的系統,用氣動管驅動人形機器人手臂,另有一組對應的機械臂,專門供人抓握。使用者可以通過操縱自己這邊的機械臂,讓另一邊的機器人手臂抓住氣球,拿起雞蛋或拍打小孩的臉頰。

      再來看看小規模的應用,比如一款名為Foldaway的便攜式觸覺界面。

      圖片來源:ALICE CONCORDEL

      它看起來就像是飲料的托盤,有三個鉸接的微型機械臂。在它的頂部裝設塑料握把后,這個設備就成為了三維的控制桿:三個機械臂會反饋推力,讓用戶感受到他們正在擠壓的物體。在演示中,研究團隊使用這些設備來控制無人機和擠壓虛擬物體等。

      這些設備很有應用前景,但也存在一個明顯的問題:如何讓它們產生重量感呢?

      為了解決這個問題,科學家們從神經科學入手,開發出一款名為Grabity的虎鉗——使用者抓住它并擠捏以拾取虛擬物體。該設備只需通過特定的振動,就能讓人產生錯覺,體會到重量和慣性。

      Grabity能提供重量和慣性的錯覺,圖中模仿的是抓起木塊的感覺。圖片來源:STANFORD SHAPE LAB

      穿戴式:轉化感覺信息

      抓取式的設備通常利用的是動覺感受:運動、位置和力的作用產生的感覺,由皮膚、肌肉、肌腱和關節中的神經元傳導。穿戴式設備則利用的是皮下神經傳導的觸覺感受——壓力、摩擦或溫度。

      大部分該類裝置都是佩戴在手指上的。當在虛擬現實中觸摸物體時,設備以相應力度按壓指尖。

      但是最近有一款設備擁有相同類型的反饋,卻無需覆蓋到指尖的部位。相反,它可以戴在我們戴戒指的手指部位,并且有一塊馬達來拉伸手指皮膚。這樣,我們既能自由地與現實物體交互,也能感知到“虛擬”物體。

      圖片來源:DOMENICO PRATTICHIZZO

      在測試中,一個人手持粉筆,在虛擬黑板上“書寫”,并通過觸錯覺感受到手指壓力:當人們看到粉筆接觸黑板并感覺到皮膚被拉伸時,其實他們被指尖的壓力愚弄了。

      穿戴式觸覺設備也能通過振動和用戶交流。例如,卡爾伯森的實驗室正在開發一種腕帶,通過振動來引導佩戴者,振動方位即目的方位。神經科學家大衛·伊格曼(David Eagleman)的團隊則開發了一種帶有32個振動電機的背心——VEST。這種背心曾在科幻劇《西部世界》中出現過,它能幫助角色發現正在接近的敵人。

      熱播美劇《西部世界》中的黑科技背心。圖片來源:Westworld/HBO

      VEST最有前景的應用之一是把聲音轉化為觸覺,使聽障人士更容易理解口語。同樣,各類視覺信息也能轉化為振動,供盲人理解視覺世界。研究者還有一個比較大膽的設想,他們希望VEST能表達更抽象的信息,比如市場行情和環境數據。

      不過目前來看,提供振動反饋的電機可能還很笨重。因此,一些實驗室正在開發更舒適的解決方案,比如柔軟的氣動驅動器(SPA)皮膚。它是一片厚度小于2毫米的柔軟硅膠,其中點綴著微小的氣囊。

      包含微小氣囊的仿皮膚材料能提供振動反饋。圖片來源:ADAPTED FROM H.A. SONAR?ET AL / FRONTIERS IN ROBOTICS AND AI?2016

      這些氣囊可以每秒獨立膨脹和放氣幾十次,從而構成觸覺元素的像素——或者說“觸素”,來創造一種網格狀的觸覺。它們可能會讓用戶體驗到置身《頭號玩家》套裝中的那種感覺,或者向用戶反饋機器人的方位或假肢的觸覺。SPA皮膚還嵌入了由新型耐腐蝕合金制成的傳感器,當用戶擠壓該皮膚時,SPA皮膚就可以把壓感信號輸入計算機。

      還有一種更薄的觸覺薄膜,它的厚度不到半毫米。當薄膜貼于柔性薄片,并對薄膜施加電荷時,薄膜收縮并彎曲薄片,以此對皮膚施加壓力。設備制造商正在應用這種由新型聚偏二氟乙烯塑料制成的材料,生產主打VR的觸覺手套。

      除了觸覺感受,肌肉、關節和肌腱的動覺感受也能輸出到設備——比如機器人外骨骼。

      FlyJacket。圖片來源:EPFL LIS/YOUTUBE

      如果將FlyJacket穿在手臂上,你就能體驗到飛行的感覺。這款外骨骼在構造上比較簡單:手臂和腰部的部件通過活塞連接。使用者只需移動手臂和扭動軀體,即可控制無人機的飛行。當無人機被風猛吹時,人們甚至可以感受到“風阻”。

      觸摸式:觸手可感

      點擊屏幕并獲得振動反饋,這已經是智能手機的標配了。隨著技術的發展,我們能在屏幕上感受到更多觸覺信息嗎?

      當然可以。比如,卡爾伯森正在開發一種“數據驅動觸覺”設備,它能逼真地模擬物體表面的粗糙度、硬度和光滑度。這種模擬并不依賴于復雜的算法和物理模型,只需要收集物體劃過各種表面材料時的數據。當你用筆劃過屏幕時,就能在屏幕上獲得相應的振動反饋——不同的振動對應不同的紋理。該技術的潛在應用包括線購物和虛擬博物館。

      圖片來源:HEATHER CULBERTSON

      觸摸式的屏幕也可以利用錯覺。例如,當按下一個按鈕的圖片時,播放按鈕點擊的音效會讓人覺得按鈕實際上是存在的。或者讓屏幕看起來因手指壓力變形可以使它看起來更柔軟。人們通過將視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺結合在一起來構建感知,正如卡爾伯森所說:“如果你的眾多感官不匹配,那你的大腦就很容易被欺騙。”

      這些技術的發展都還在起步階段,但在神經工程和材料科學的進一步推進下,新的觸覺設備很可能超越《頭號玩家》的新奇設定。令人興奮又不安的是,當我們的感官增添更多的維度,恐怕死宅們也更難離開虛擬現實了。(編輯:EON)

      編譯來源

      Knowable Magazine, Reaching out to touch virtual reality

      熱門評論

      • 2019-03-01 14:44 Karlson

        用任何東西來模擬觸覺,都不是終極解決之道。指尖的碰觸,你可以通過戒指來模擬,但是那只能“單點”模擬,也就是說,你能模擬幾個指頭的觸覺,不能模擬整條手臂的觸覺。另外觸覺除了壓感之外,還有冷熱、疼痛這樣的感覺,要全做成模擬,那得多龐大的設備群來支持?

        我覺得,真正的觸覺模擬,應該是直接從神經層面進行修改。可以精密的實現對各個部位各種狀態的模擬。飛行時,我能感覺到氣流的托舉力,還能感覺迎面而來的風力,還能感受腹背面不同陽光照射下的溫差,隨著“高度”的變化,我還能感覺耳膜的壓感變化,防寒服外的冷熱變化……

        將來,觸覺的神經模擬,應該是最終極的體驗了。

        [15] 評論
      • 2019-03-01 15:07 天降龍蝦
        引用文章內容:令人興奮又不安的是,當我們的感官增添更多的維度,恐怕死宅們也更難離開虛擬現實了。

        不用擔心,我們很好。。。。

        [5] 評論

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      全部評論(21)
      • 1樓
        2019-03-01 14:44 Karlson

        用任何東西來模擬觸覺,都不是終極解決之道。指尖的碰觸,你可以通過戒指來模擬,但是那只能“單點”模擬,也就是說,你能模擬幾個指頭的觸覺,不能模擬整條手臂的觸覺。另外觸覺除了壓感之外,還有冷熱、疼痛這樣的感覺,要全做成模擬,那得多龐大的設備群來支持?

        我覺得,真正的觸覺模擬,應該是直接從神經層面進行修改。可以精密的實現對各個部位各種狀態的模擬。飛行時,我能感覺到氣流的托舉力,還能感覺迎面而來的風力,還能感受腹背面不同陽光照射下的溫差,隨著“高度”的變化,我還能感覺耳膜的壓感變化,防寒服外的冷熱變化……

        將來,觸覺的神經模擬,應該是最終極的體驗了。

        [15] 評論
      • 2樓
        2019-03-01 15:07 天降龍蝦
        引用文章內容:令人興奮又不安的是,當我們的感官增添更多的維度,恐怕死宅們也更難離開虛擬現實了。

        不用擔心,我們很好。。。。

        [5] 評論
      • 3樓
        2019-03-01 16:04 q68257962

        虛擬現實里能寫代碼然后編譯運行嗎?

        [1] 評論
      • 4樓
        2019-03-02 09:40 純銀波波沙

        人類在模擬上真是不遺余力呢,都給男人開發出模擬生小孩裝置了。

        不過有生之年可能可以看到不用手柄而是更精細操作的VR設備商業化

        [0] 評論
      • 5樓
        2019-03-02 10:28 Karlson
        引用@天降龍蝦 的話:不用擔心,我們很好。。。。

        我也覺得還可以修改神經信號,直接讓大腦以為我們在運動,加快代謝速度,達到減肥的效果。只不過這個過程可能比真正的運動更讓人覺得不舒服。另外就是肌肉的增加,這個不好弄,肌肉量的增加,肌纖維增粗,現在的運動都是拉斷肌纖維,然后修復過程中增加增大的。這是物理變化,沒法通過修改神經信號這樣的魔法手段來實現。

        [0] 評論
      • 6樓
        2019-03-03 15:09 漢尼拔wang
        引用文章內容:工程師們正致力于為電子游戲創造真實的觸覺感受

        坐等“真實”的足球游戲~

        引用文章內容:VEST最有前景的應用之一是

        ——島國愛情動作片!

        引用文章內容:當按下一個按鈕的圖片時,播放按鈕點擊的音效會讓人覺得按鈕實際上是存在的。

        用軟鍵盤時如果沒有音效我會感覺按在空氣里~

        [0] 評論
      • 7樓
        2019-03-04 11:06 天降龍蝦
        引用@Karlson 的話:我也覺得還可以修改神經信號,直接讓大腦以為我們在運動,加快代謝速度,達到減肥的效果。只不過這個過程可能比真正的運動更讓人覺得不舒服。另外就是肌肉的增加,這個不好弄,肌肉量的增加,肌纖維增粗,現在的運動...

        你干脆直接給人喂瘦肉精好了。。。死宅當然不是健康的生活方式,但并不意味著選擇這種生活方式的人適應能力就一定更差啊。。。。別戴有色眼鏡看人好吧。。。

        [1] 評論
      • 8樓
        2019-03-04 13:38 Karlson
        引用@天降龍蝦 的話:你干脆直接給人喂瘦肉精好了。。。死宅當然不是健康的生活方式,但并不意味著選擇這種生活方式的人適應能力就一定更差啊。。。。別戴有色眼鏡看人好吧。。。

        額,我這些話里并沒有哪一句是戴有色眼鏡看人的吧?

        我只是覺得可以通過篡改一些神經信號,讓大腦誤以為是在進行運動,這樣大腦就會調集資源、分配各項功能的工作任務,這樣應該可以實現躺著就把能量給消耗掉了,而不是累積起來啊。只是覺得肌肉的增加和增粗,通過這種方式沒法實現。

        [0] 評論
      • 9樓
        2019-03-04 16:14 天降龍蝦
        引用@Karlson 的話:額,我這些話里并沒有哪一句是戴有色眼鏡看人的吧?我只是覺得可以通過篡改一些神經信號,讓大腦誤以為是在進行運動,這樣大腦就會調集資源、分配各項功能的工作任務,這樣應該可以實現躺著就把能量給消耗掉了,而不...

        那么,是誰告訴你,死宅就一定需要減肥的???

        [0] 評論
      • 10樓
        2019-03-04 17:42 Karlson
        引用@天降龍蝦 的話:那么,是誰告訴你,死宅就一定需要減肥的???

        這……

        我真沒想到,這樣也能惹上麻煩。幸好我不是名人,不然還真被你抓住小辮子了。

        死宅不代表一定肥,修改神經信號,欺騙大腦,也不一定就必須是為了減肥才這么做,也可以欺騙大腦,讓大腦以為是在運動,增加肺活量,加速新陳代謝,促進身體健康也可以。

        能不能別抓我的小辮子了?我真沒死宅一定肥的的這個意思,只是順著就講欺騙大腦可以達到的效果而已。就請你別反推下面說了減肥,就一定說明宅就肥了。

        [0] 評論
      • 11樓
        2019-03-04 19:16 天降龍蝦
        引用@Karlson 的話:這……我真沒想到,這樣也能惹上麻煩。幸好我不是名人,不然還真被你抓住小辮子了。死宅不代表一定肥,修改神經信號,欺騙大腦,也不一定就必須是為了減肥才這么做,也可以欺騙大腦,讓大腦以為是在運動,增加肺活量...

        沒事杠一杠,消食。。。。

        [0] 評論
      • 12樓
        2019-03-05 11:00 CBP

        話說考慮到最近果殼那篇反安慰劑效應的文章......我突然想到越來越逼真的模擬,會不會在游戲人物摔死或者被打死的時候,由于反安慰劑效應而把玩家給真的嚇得瞬間猝死了.

        [0] 評論
      • 13樓
        2019-03-06 17:25 瘋癲的雙面鏡1
        引用@CBP 的話:話說考慮到最近果殼那篇反安慰劑效應的文章......我突然想到越來越逼真的模擬,會不會在游戲人物摔死或者被打死的時候,由于反安慰劑效應而把玩家給真的嚇得瞬間猝死了.

        在關于真實度這方面,在將來的運用中肯定是會有著關于真實度上限的法律,為了不使使用者發生混淆現實的感覺,真實度大概必定會固定的調整到完全無法欺騙到大腦的程度。

        [0] 評論
      • 14樓
        2019-03-06 19:12 嗷嗚嗷嗚小甜餅是我的

        虛擬要越來越完善,宅的人會越來越多了

        [0] 評論
      • 15樓
        2019-03-07 15:48 上條大雄
        引用@Karlson 的話:用任何東西來模擬觸覺,都不是終極解決之道。指尖的碰觸,你可以通過戒指來模擬,但是那只能“單點”模擬,也就是說,你能模擬幾個指頭的觸覺,不能模擬整條手臂的觸覺。另外觸覺除了壓感之外,還有冷熱、疼痛這樣的...

        然后就是“缸中之腦”和《黑客帝國》的劇情了吧……

        [0] 評論
      • 16樓
        2019-03-07 16:29 拼音佳佳

        車輛駕駛轉向的超重效果沒法模擬的吧...

        比如摩托車駕駛模擬,車身傾斜,這個模擬不了.

        [0] 評論
      • 17樓
        2019-03-07 17:50 Karlson
        引用@上條大雄 的話:然后就是“缸中之腦”和《黑客帝國》的劇情了吧……

        差不多吧,但是這個腦子其實沒什么用了,到這個程度,人基本上就是依附于機器人生存的寄生蟲。當然,要到這個程度,我想,即使到AI取代我們全部工作的那天,我們也還是做不到真正能模擬“一切”,因為這幾乎要破解人的所有神經信號

        [0] 評論
      • 18樓
        2019-03-11 18:10 house花生仁
        引用@Karlson 的話:我也覺得還可以修改神經信號,直接讓大腦以為我們在運動,加快代謝速度,達到減肥的效果。只不過這個過程可

        我覺得你的想法很有創意,而且一點兒都不杠好嗎(? ○ Д ○)?

        [0] 評論
      • 19樓
        2019-03-11 18:10 house花生仁
        引用@Karlson 的話:我也覺得還可以修改神經信號,直接讓大腦以為我們在運動,加快代謝速度,達到減肥的效果。只不過這個過程可

        我覺得你的想法很有創意,而且一點兒都不杠好嗎(? ○ Д ○)?

        [0] 評論
      • 20樓
        2019-03-16 22:21 抓豬

        Sweet

        [0] 評論
      • 21樓
        2019-03-17 18:48 破曉的余暉

        不一定要機械裝置,可以直接電刺激皮膚神經讓人產生感覺

        [0] 評論

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      Matthew Hutson
      Matthew Hutson 現居紐約的科普作家

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