用折纸技艺实现触觉感知.docx

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1、用“折纸”技艺实现触觉感知我科学家在虚拟现实交互领域取得重要突破【科技前沿】提起元宇宙，大家最直观的感知，或许还是一个只能在视觉上模拟真实世界的VR眼镜。但让人没想到的是，古老的东方手工技艺“折纸”，率先实现了从虚拟到真实的关键突破。西湖大学姜汉卿团队在国际上首次提出并开发了“高保真主动机械触感交互系统”，为元宇宙带来了全新的触觉感知维度。这项研究成果日前发表于自然-机器智能。借鉴“折纸”艺术，让VR眼镜里的虚拟世界不仅可见、可听，还可“触摸”。这一切，是怎么发生的？“触”不可及的失真“宇宙”当前的VR交互，仅可提供视觉与听觉体验，呈现的是一个仅可远观、却无法触碰的虚拟空间。研究者们曾经尝试过

2、很多种“解决”方案，大多是通过震动或压力代偿创造“被动触感”：例如具有振动功能的手柄，以及触觉感知手套等。然而，这些“触感”就如同你的手机忽然振动了一下，或者是坐在4D电影院里突然感受到座椅的晃动，你的体感都是由设备发出、给予你一种被动的交互体验，距离日常生活中真实的、由人类主动触发的“触觉”差距甚远。这似乎也呼应了人类在触觉理解上的艰难进度条2023年，美国生理学家戴维朱利叶斯与亚美尼亚裔美国神经科学家阿德姆帕塔普蒂安因揭开了触觉的神秘面纱，获得了诺贝尔生理学或医学奖而听觉与视觉，早在20世纪60年代就已揭秘，问鼎诺奖。撬动VR世界的星辰大海那么，最前沿的VR和元宇宙，怎么会因为传统的折纸艺

3、术而破局？姜汉卿2023年加盟西湖大学后，最早启动的课题之一就是柔性电子与软/硬异质性材料研究，他首次将“折纸机械超材料”概念带入大众视野。所谓“机械超材料”，是指并非自然形成，而是人为构造的材料结构，材料的性能不依赖于分子结构或者晶体结构本身，主要依赖于其精巧构型里的结构细节。从事“折纸研究”十年之久，又感知到了元宇宙的蓬勃发展，姜汉卿萌生了把两者结合起来的念头。“折纸材料可能很软，但是依赖于不同折叠方式，折纸结构又会变得很硬，基于折纸结构的机器人，就可以随时调节软硬程度。”摆脱当前虚拟现实交互的固有思维定势，姜汉卿创造了“主动触觉”这个新概念不同于肩、胸、腰、背等人类身体通常接收“被动触觉

4、”的部位，人的手和脚通常是主动出击，通过主动触摸去感知物理世界。研究团队选择从“机械触感”入手，模拟手和脚主动触摸物体时的感觉。研究团队研发了一套“高保真主动机械触感交互系统”，利用不同材质、不同尺寸的折纸模块搭建了两种不同维度的交互装置：一种可引发局部触感的手持式装置，与一种可以产生全身体感的脚踏式装置。在使用手持式交互装置时，用户可通过主动抓握，体验其所交互的不同物品的软硬程度；在使用脚踏式装置时，用户则可通过主动踩踏，以全身运动的形式体验其所处的环境地面特性。这种主动机械触感的实现，源于硬件设备内部曲面折纸结构在交互过程中，由用户主动触发的被动变形在电机的配合作用下，曲面折纸能弯曲成不同

5、的角度，也会产生不同大小的反力，从而给予用户手足不同的“弹性”反馈。向虚拟世界伸出精妙之“手”如果说，这项研究中最大的创意来自“折纸”，那么，实现创意的最大挑战就来自“怎么折”既能完美实现主动触感，又能集成于有限空间。就像现实世界的折纸一样，人人都会，但只有那心灵手巧的艺人，才能展现其精妙之处。在姜汉卿实验室，有一个“手持式装置”形状像一个球,5个位点对应人的5个手指，每一个位点下面就是呈现X形状交叉两片成组的曲线折纸塑料片；10个塑料片，全靠一个电机带动，以扭转成各种不同角度，形成不同的“软硬度”。与之配套的脚踏式装置，原理一样，差别在于踏板下是钢片，数量更多、矩阵排布，通过拉绳方式改变曲线

6、折纸的角度以改变刚度。这些设备里没有任何昂贵或罕见的器件。无论是“手球”里的塑料片，还是“踏板”中的钢片，均为网购，可以被替换为任何有弹性的材料。核心器件就是可以根据虚拟场景而相应变化的曲线折纸。如果核心结构一致，交互的硬件设备也可以放大或缩小。这意味着一旦找到合适的应用场景，它将有望快速进入生产市场。研究的最后一步，团队进行了人体感受表征验证，包括“主观”的用户调查和“客观”的肌电图、心率测量。这一表征验证详细记录了体验者在虚拟冰面破裂时，心跳急速变快的真实生理反应。那一刻踏板突然塌陷，让人瞬间产生踏空坠落的恐惧感。虚拟世界，就这样创造出了真实世界的完美触感。姜汉卿团队的这项研究，为虚拟现实交互提供了全新的模式与体验，为超材料在元宇宙中的进一步集成提供了指导方案，也有望拓展虚拟现实技术在娱乐、遥操作、医疗诊治与康复等领域的广泛应用。接下来，研究团队将继续找到多模式的感知，还原更完整的触觉，在形态上，他们正在尝试和柔性电子整合，实现主动触觉与被动触觉的结合，以及努力用折纸实现更大尺度体验，在更大场景实现交互。“比如在游戏中要骑摩托车，能不能直接从地面，长出可以触摸到的摩托车来”姜汉卿说。（记者晋浩天通讯员徐珊）（2023年）