1.75 毫瓦誘發真實觸感!支援遠端觸控的 “虛擬面板” 誕生,可與人體整合

DeepTech 深科技 · 2019-11-25

1.75 毫瓦誘發真實觸感!支援遠端觸控的 “虛擬面板” 誕生,可與人體整合

孩子想念祖母了,於是在平板電腦視訊通話的時候觸控祖母的手臂,另一端佩戴電子面板的祖母立即感受到了孩子的撫觸。

男子在假肢機械手臂裝上電子面板,當拿起手機時,頓時有了持握反饋。

遊戲玩家在手臂、胸部和背部佩戴電子面板之後,當遊戲角色受到相應部位打擊時,玩家也感同身受。

這些場景已不再是夢想,超越目前已經實現的語音和視訊通訊,撫觸通訊時代到來了。

1.75 毫瓦誘發真實觸感!支援遠端觸控的 “虛擬面板” 誕生,可與人體整合
圖 | 一位母親在電腦螢幕上虛擬撫摸孩子。(來源:美國西北大學)

11 月 21 日,《自然》雜誌發表的一項研究報道了一種在面板表面的無線觸覺反饋介面。這個裝置通過機械振動的方式進行通訊,可作為虛擬現實(VR)合成皮膚,可讓你與遠方的親友牽手,還能在互聯網遊戲中感受到隊友的拍肩鼓勵,當然,這個裝置也可用於醫學。

文章通訊作者之一、美國西北大學材料科學和生物醫學工程教授 John A. Rogers 對 DeepTech 表示,這個研究第一次在人體面板上大面積實現了靈活且複雜的虛擬觸控,超越了音訊和視訊通訊,是 VR/AR(虛擬現實技術和增強現實技術)質的飛躍。

面板 VR

1.75 毫瓦誘發真實觸感!支援遠端觸控的 “虛擬面板” 誕生,可與人體整合
圖 | 這款電子面板就像矽和金屬造就的千層麵。(來源:美國西北大學)

目前的虛擬現實技術大都是通過頭戴式顯示器、加速度感測器和揚聲器作為計算機模擬三維環境的基礎,但這些技術缺失了觸控感。要知道,面板是我們最大的器官,其中遍佈的機械感受器帶來的觸控感是我們與世界互動的基礎。

此前已經實現的可通訊 VR “面板”,需要藉助緊貼在佩戴者身體上的有線電極,這些電極通過產生振動來刺激感官體驗。但事實證明,要找到既能產生讓使用者反應的合適電壓和電流,又不給面板造成疼痛或電刺激損傷,絕非易事。

而這款新的面板 VR 系統採用了不同的技術路徑,它通過嵌入薄而柔軟的微型驅動器來傳遞觸感。Rogers 團隊長期從事面板可穿戴裝置的研究,他們將可穿戴裝置、微型驅動器等大量元件組合在一起,希望使用者能從面板得到反饋,而不是此前研究關注的從面板中獲取資訊。

美國西北大學這款裝置原型為 15 釐米 x 15 釐米,無需電池和電線,其中有 32 個毫米級微型驅動器,每個驅動器 1.4 克,直徑為 12 到 18 毫米,厚度為 2.5 毫米。驅動器嵌入到柔軟的矽樹脂中,每個驅動器可以獨立產生每秒最多 200 次振動的觸感。

要讓那個這款裝置更舒適,那麼就需要柔性介面。裝置中的驅動器被嵌入到薄而柔軟的有機矽聚合物中,無需膠帶即可粘附到面板上。其通訊方式採用近場通訊(NFC),這也是我們平時常用的一種電子支付技術。如此成就了一個薄而輕的裝置,且可無限期佩戴使用。

Rogers 說,他們已經可以實現通過使用者圖形介面,可即時調整每個驅動器的頻率和幅度。

該裝置可以與平板電腦進行無線通訊。當用戶在觸控式螢幕介面畫出 “X” 圖案時,裝置即可在面板上實時產生 “X” 圖案的觸感。當人們進行遠端聊天時,親友可以通過伸手進行虛擬撫觸,其力度可以通過觸控式螢幕介面來設定。

Garrett Anderson 是一名伊拉克戰爭中失去右臂的陸軍老兵,2005 年 10 月 15 日,炸彈碎片削斷了他的手臂。他在戴上美國西北大學的裝置後,明顯感受到了假肢指尖傳到手臂的壓力。Rogers 認為,經過長時間磨合,大腦會將手臂上的感覺認為是假肢手指的感覺,這相當於重現了手指的觸控感。

靈敏度如何呢?Rogers 告訴 DeepTech,與強有力的 “戳” 不同,這種觸控是一種輕柔的感覺,因為可程式設計,驅動器的力度、振幅和頻率都是可控、可調的。

文章通訊作者之一、美國西北大學機械工程系教授黃永剛(Yonggang Huang)則表示,基於精巧的力學設計,該裝置中激勵器僅需要 1.75 毫瓦的功率就能誘發較強的觸感,通常市面現有激勵器需要大於 100 毫瓦的輸入功率。

至於舒適性,面板接觸到貼片裝置很舒適。黃永剛介紹,該裝置由微型化的可程式化控制的驅動器整列嵌入到柔軟輕薄(3 毫米)的橡膠材料構成。因此整個裝置可輕柔的與人體整合,而不產生如何的約束感,同時可對人體表皮產生明顯的觸感。正如在《自然》文章中提到的,在社交媒體、遊戲娛樂和假肢控制方面,使用者都獲得了完美的體驗。

有望實現全身 VR

1.75 毫瓦誘發真實觸感!支援遠端觸控的 “虛擬面板” 誕生,可與人體整合
圖 | 觸控顯示器上的影象,佩戴電子面板的人就會感受到觸控。從黃色到紅色,表示微型驅動器的啟用程度。(來源:《自然》雜誌)

黃永剛向 DeepTech 表示,這項研究極大地擴充套件了虛擬現實和增強現實的刺激方式和功能。從傳統的視覺和聽覺刺激到觸覺介面,首次通過可程式設計機械震動刺激面板的方式實現 / 轉遞人體對外部世界的虛擬增強體驗。因為與眼睛和耳朵相比,AR 和 VR 在面板感知層面的開發還遠遠不夠,而面板感測則能極大增強體驗,以及拓展通訊、娛樂和醫學的應用。

研究人員正在努力拓展該裝置的使用範圍,比如開發可以發熱或拉伸力的驅動器,當有熱輸入的情況下,你可以通過假肢指尖感受到一杯咖啡的熱量。黃永剛說:“我們下一步共工作主要是實現更輕薄的、更高分表率的柔性面板觸覺介面,並豐富不同的面板刺激方式,比如熱刺激和拉伸觸感的實現等。”

更讓人興奮的是研究人員的最終設想,用成百上千個離散的可程式設計驅動器,將這個裝置擴充套件到全身。穿上特製的 VR 套裝,加上 VR 頭盔,遊戲者可以完全沉浸在虛擬世界中。

香港理工大學紡織及製衣學講席教授陶肖明(Xiao-ming Tao)在《自然》雜誌評論稱,鑑於人體面板可以分辨亞毫米級的觸覺,因此這個驅動器可以再加以微型化,縮小到原來十分之一到三分之一。

陶肖明指出,該裝置還有一些缺陷,比如每個驅動器電流高達 5 毫安,這要比大部分消費級電子產品的電流要高。另外,如果散熱管理不當,可能會影響微型驅動器效能表現以及讓皮膚髮熱。還有就是,儘管驅動器的功率只有 1.75 毫瓦,但其總功耗可能會是限制該裝置持續無線通訊的關鍵因素。這些問題最終的解決途徑要依靠進一步微型化驅動器。

DeepTech 在今年 8 月曾經報道斯坦福大學鮑哲南團隊開發的無線面板感測器,主要用於醫學檢測,可舒適、便捷監測心跳、呼吸和運動。這項研究的第一作者、斯坦福大學博士後牛思淼告訴 DeepTech,美國西北大學這項研究第一次實現了觸覺驅動器陣列與可拉伸近場通訊技術的結合,同時實現了能量和控制指令的無線傳遞。

牛思淼認為,之前的研究主要是實現面板上感測器訊號的無線收集,這是第一次實現了無線控制可拉伸的面板驅動器陣列,美國西北大學的成果為最終實現閉環系統又邁出了重要一步,而閉環系統可以極大提升系統的複雜性和功能性。比如,在血糖控制上,閉環系統可以通過緊貼在面板上的感測器陣列得到血液裡的血糖含量,然後經過 NFC 無線傳遞到中樞處理器進行分析控制。當需要干預的時候,中樞處理器發出指令,通過驅動器進行干預,來實現全自動的閉環血糖控制。

對於人們關心的商業化問題,Rogers 說,這篇《自然》雜誌論文只是一個起點,是學術研究的首次展示,也許在一兩年內會有商業化進展。

Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtual and augmented realitynature.com1.75 毫瓦誘發真實觸感!支援遠端觸控的 “虛擬面板” 誕生,可與人體整合https://www.nature.com/articles/d41586-019-03506-3www.nature.com‘Epidermal VR’ gives technology a human touchnews.northwestern.edu1.75 毫瓦誘發真實觸感!支援遠端觸控的 “虛擬面板” 誕生,可與人體整合Full Page Reloadspectrum.ieee.org

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