【科技前沿】

(資料圖片僅供參考)

用“折紙”技藝實現(xiàn)觸覺感知

我科學家在虛擬現(xiàn)實交互領域取得重要突破

光明日報記者 晉浩天 光明日報通訊員 徐珊

提起元宇宙，大家最直觀的感知，或許還是一個只能在視覺上模擬真實世界的VR眼鏡。但讓人沒想到的是，古老的東方手工技藝“折紙”，率先實現(xiàn)了從虛擬到真實的關鍵突破。西湖大學姜漢卿團隊在國際上首次提出并開發(fā)了“高保真主動機械觸感交互系統(tǒng)”，為元宇宙帶來了全新的觸覺感知維度。這項研究成果日前發(fā)表于《自然-機器智能》。

借鑒“折紙”藝術，讓VR眼鏡里的虛擬世界不僅可見、可聽，還可“觸摸”。這一切，是怎么發(fā)生的？

“觸”不可及的失真“宇宙”

當前的VR交互，僅可提供視覺與聽覺體驗，呈現(xiàn)的是一個僅可遠觀、卻無法觸碰的虛擬空間。研究者們曾經(jīng)嘗試過很多種“解決”方案，大多是通過震動或壓力代償創(chuàng)造“被動觸感”：例如具有振動功能的手柄，以及觸覺感知手套等。然而，這些“觸感”就如同你的手機忽然振動了一下，或者是坐在4D電影院里突然感受到座椅的晃動，你的體感都是由設備發(fā)出、給予你一種被動的交互體驗，距離日常生活中真實的、由人類主動觸發(fā)的“觸覺”差距甚遠。

這似乎也呼應了人類在觸覺理解上的艱難進度條——2021年，美國生理學家戴維·朱利葉斯與亞美尼亞裔美國神經(jīng)科學家阿德姆·帕塔普蒂安因揭開了觸覺的神秘面紗，獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎——而聽覺與視覺，早在20世紀60年代就已揭秘，問鼎諾獎。

撬動VR世界的星辰大海

那么，最前沿的VR和元宇宙，怎么會因為傳統(tǒng)的折紙藝術而破局？

姜漢卿2021年加盟西湖大學后，最早啟動的課題之一就是柔性電子與軟/硬異質性材料研究，他首次將“折紙機械超材料”概念帶入大眾視野。所謂“機械超材料”，是指并非自然形成，而是人為構造的材料結構，材料的性能不依賴于分子結構或者晶體結構本身，主要依賴于其精巧構型里的結構細節(jié)。

從事“折紙研究”十年之久，又感知到了元宇宙的蓬勃發(fā)展，姜漢卿萌生了把兩者結合起來的念頭。“折紙材料可能很軟，但是依賴于不同折疊方式，折紙結構又會變得很硬，基于折紙結構的機器人，就可以隨時調(diào)節(jié)軟硬程度。”

擺脫當前虛擬現(xiàn)實交互的固有思維定勢，姜漢卿創(chuàng)造了“主動觸覺”這個新概念——不同于肩、胸、腰、背等人類身體通常接收“被動觸覺”的部位，人的手和腳通常是主動出擊，通過主動觸摸去感知物理世界。研究團隊選擇從“機械觸感”入手，模擬手和腳主動觸摸物體時的感覺。

研究團隊研發(fā)了一套“高保真主動機械觸感交互系統(tǒng)”，利用不同材質、不同尺寸的折紙模塊搭建了兩種不同維度的交互裝置：一種可引發(fā)局部觸感的手持式裝置，與一種可以產(chǎn)生全身體感的腳踏式裝置。在使用手持式交互裝置時，用戶可通過主動抓握，體驗其所交互的不同物品的軟硬程度；在使用腳踏式裝置時，用戶則可通過主動踩踏，以全身運動的形式體驗其所處的環(huán)境地面特性。

這種主動機械觸感的實現(xiàn)，源于硬件設備內(nèi)部曲面折紙結構在交互過程中，由用戶主動觸發(fā)的被動變形——在電機的配合作用下，曲面折紙能彎曲成不同的角度，也會產(chǎn)生不同大小的反力，從而給予用戶手足不同的“彈性”反饋。

向虛擬世界伸出精妙之“手”

如果說，這項研究中最大的創(chuàng)意來自“折紙”，那么，實現(xiàn)創(chuàng)意的最大挑戰(zhàn)就來自“怎么折”——既能完美實現(xiàn)主動觸感，又能集成于有限空間。就像現(xiàn)實世界的折紙一樣，人人都會，但只有那心靈手巧的藝人，才能展現(xiàn)其精妙之處。

在姜漢卿實驗室，有一個“手持式裝置”——形狀像一個球，5個位點對應人的5個手指，每一個位點下面就是呈現(xiàn)“X”形狀交叉兩片成組的曲線折紙塑料片；10個塑料片，全靠一個電機帶動，以扭轉成各種不同角度，形成不同的“軟硬度”。與之配套的腳踏式裝置，原理一樣，差別在于踏板下是鋼片，數(shù)量更多、矩陣排布，通過拉繩方式改變曲線折紙的角度以改變剛度。

這些設備里沒有任何昂貴或罕見的器件。無論是“手球”里的塑料片，還是“踏板”中的鋼片，均為網(wǎng)購，可以被替換為任何有彈性的材料。核心器件就是可以根據(jù)虛擬場景而相應變化的曲線折紙。如果核心結構一致，交互的硬件設備也可以放大或縮小。這意味著一旦找到合適的應用場景，它將有望快速進入生產(chǎn)市場。

研究的最后一步，團隊進行了人體感受表征驗證，包括“主觀”的用戶調(diào)查和“客觀”的肌電圖、心率測量。這一表征驗證詳細記錄了體驗者在虛擬冰面破裂時，心跳急速變快的真實生理反應。那一刻踏板突然塌陷，讓人瞬間產(chǎn)生踏空墜落的恐懼感。虛擬世界，就這樣創(chuàng)造出了真實世界的完美觸感。

姜漢卿團隊的這項研究，為虛擬現(xiàn)實交互提供了全新的模式與體驗，為超材料在元宇宙中的進一步集成提供了指導方案，也有望拓展虛擬現(xiàn)實技術在娛樂、遙操作、醫(yī)療診治與康復等領域的廣泛應用。

接下來，研究團隊將繼續(xù)找到多模式的感知，還原更完整的觸覺，在形態(tài)上，他們正在嘗試和柔性電子整合，實現(xiàn)主動觸覺與被動觸覺的結合，以及努力用折紙實現(xiàn)更大尺度體驗，在更大場景實現(xiàn)交互。“比如在游戲中要騎摩托車，能不能直接從地面‘長出’可以觸摸到的摩托車來……”姜漢卿說。

《光明日報》（ 2023年06月05日?04版）