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元宇宙可以提供一個融合數(shù)字和物理現(xiàn)實的沉浸式環(huán)境。然而，這將需要適當?shù)挠|覺反饋和可穿戴技術(shù)。12月20日，新加坡國立大學(National University of Singapore) Jiaming Qi，Joo Chuan Yeo Chwee Teck Lim等，在Nature Electronics上發(fā)表綜述文章，探索了觸覺和可穿戴技術(shù)的研究發(fā)展，這些技術(shù)可以用來彌合數(shù)字-物理鴻溝，并建立更加真實和身臨其境的虛擬實境。

該綜述文章包括觸覺技術(shù)的機制及可以復制觸覺的觸覺設(shè)備，可以通過集成人工智能提供運動跟蹤的可穿戴技術(shù)的發(fā)展。重點介紹了此類技術(shù)在娛樂、商業(yè)、教育、培訓和醫(yī)療保健領(lǐng)域的潛在應用。最后，討論了該領(lǐng)域面臨的道德和技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖1 虛擬世界-數(shù)字世界-物理世界之間的交互

在虛擬-數(shù)字-物理世界之間，需要依靠各種傳感器、制動器、XR設(shè)備、WIFI傳輸、動作捕捉以及觸覺等。每一個世界的特征信息都依靠這些機制進行互相傳輸、解析與表達。觸覺是其中的重要部分。

圖2 觸覺和傳感技術(shù)發(fā)展的時間表

自1969年Tactile image到2024年各種不同特點、不同策略重建與表達觸覺的器件與系統(tǒng)出現(xiàn)，觸覺和傳感技術(shù)走過了55年時間。

圖3 觸覺和可穿戴傳感技術(shù)

電磁平臺：如線性諧振和偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量執(zhí)行器用于振動反饋，電磁電機可提供多種觸覺刺激，響應快且力和位置控制精確，但體積大、功耗高。

氣動平臺：利用空氣泵和閥門調(diào)節(jié)氣壓產(chǎn)生觸覺刺激，末端執(zhí)行器柔軟、輕便、高分辨率，適用于可穿戴設(shè)備，但體積和噪音問題限制了其便攜性。

超聲平臺：通過調(diào)制超聲換能器陣列產(chǎn)生可感知的焦點，實現(xiàn)非接觸式觸覺反饋，不影響皮膚自然觸感，但感知強度和范圍受能量衰減限制。

機電平臺：如壓電、介電彈性體和靜電執(zhí)行器，能提供快速可逆的變形刺激，產(chǎn)生觸覺反饋，末端執(zhí)行器輕巧緊湊，但高工作電壓存在安全隱患且驅(qū)動電子設(shè)備小型化困難。

電動平臺：基于電滲泵原理，通過電場驅(qū)動離子流體形成微泵，可提供高分辨率的觸覺刺激，體積小、響應快，但產(chǎn)生的力反饋有限。

形狀記憶合金平臺：形狀記憶合金在溫度變化時可恢復形狀，適用于可穿戴設(shè)備的觸覺反饋，靈活性高、無噪音、重量輕，但冷卻延遲限制了其應用場景。

電刺激平臺：通過皮膚電極直接刺激機械感受器，可實現(xiàn)壓力到振動的感覺轉(zhuǎn)變，但需精確校準和監(jiān)測參數(shù)以避免不適。

熱反饋平臺：包括焦耳熱、珀爾帖器件和流體熱傳遞等方法，用于提供溫暖或寒冷的感覺，但現(xiàn)有技術(shù)存在剛性、體積大或延遲等問題。

圖4 虛擬世界中，觸覺和可穿戴設(shè)備的應用

觸覺和可穿戴設(shè)備的應用包括在社交媒體的交流中增加觸覺交互，拓展原有視頻語音交流的信息維度；在織物紋理渲染方面，可通過觸覺將織物紋理數(shù)字化并通過觸覺信息進行表達；觸覺裝置結(jié)合VR設(shè)備可用于示教及教學，提高學習效率，縮短培訓時間；在人體運動方面，觸覺和可穿戴設(shè)備的結(jié)合可以引導參與者完成特定動作，這包括一些正在康復周期的患者進行使用；結(jié)合VR的醫(yī)學訓練可以為初學者創(chuàng)造身臨其境的環(huán)境，大大加快培訓速度；VR+觸覺設(shè)備在手術(shù)中的應用顛覆了傳統(tǒng)手術(shù)室，當醫(yī)生可以“透視”患者時，病灶的定位及手術(shù)規(guī)劃便變得簡單。

表1  觸覺設(shè)備及其在物理-數(shù)字世界之間的應用

文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41928-024-01325-7