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導(dǎo)語

基于VR的輔助訓(xùn)練是一種很有前景的康復(fù)訓(xùn)練方法，已在康復(fù)領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。多項基于VR的康復(fù)訓(xùn)練利用了觸覺反饋，然而現(xiàn)階段觸覺反饋需要復(fù)雜的可穿戴硬件設(shè)備，這增加了構(gòu)建訓(xùn)練條件的難度，也增加了患者的訓(xùn)練負(fù)擔(dān)。近日，來自萊斯大學(xué)、貝勒醫(yī)學(xué)院的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種偽觸覺方式，可在VR訓(xùn)練過程中在沒有實(shí)際提供觸覺的前提下，提供實(shí)時且逼真的觸覺體驗。該項研究發(fā)表在《Advanced Intelligent Systems》期刊上。

01 研究背景

隨著電子和通訊技術(shù)的日益發(fā)展，VR技術(shù)已經(jīng)在康復(fù)領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用，基于VR的輔助訓(xùn)練是一種很有前景的康復(fù)訓(xùn)練方法。多項康復(fù)訓(xùn)練利用了觸覺反饋，傳統(tǒng)的觸覺反饋即需要患者佩戴無線觸覺控制器、指尖顯示器和觸覺手套等設(shè)備，然而受限于設(shè)備復(fù)雜，為患者佩戴過多的設(shè)備可能會影響交互效果，進(jìn)而影響康復(fù)進(jìn)程。近日，來自萊斯大學(xué)、貝勒醫(yī)學(xué)院的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種偽觸覺方式，可在VR訓(xùn)練過程中在沒有實(shí)際提供觸覺的前提下，提供實(shí)時且逼真的觸覺體驗。

該研究報告的共同作者、萊斯大學(xué)機(jī)械工程系Marcia O'Malley教授表示："可穿戴技術(shù)設(shè)計師希望提供更加真實(shí)的虛擬體驗，現(xiàn)階段的觸覺刺激主要是通過重現(xiàn)操縱物體時在指尖感受到的力量實(shí)現(xiàn)的，這會使得可穿戴觸覺設(shè)備十分笨重，從而妨礙了手的活動，而隨著人們在虛擬環(huán)境中花費(fèi)更多時間，舒適程度也變得越來越重要，笨重的可穿戴觸覺設(shè)備是未來值得解決和優(yōu)化的問題。"

O'Malley進(jìn)一步指出："針對長期佩戴，我們的團(tuán)隊想要開發(fā)一種在手腕處提供可信的觸覺反饋的全新模式，就像我們已經(jīng)習(xí)慣了的智能手表一樣，手和手指保持自由，實(shí)現(xiàn)'全天'佩戴。"

懸空交互按鈕

02 研究概述

所模擬的觸覺包括通過皮膚傳遞的觸覺和來自肌肉和肌腱的動覺。我們的大腦使用動覺反饋來持續(xù)感知我們身體的相對位置和運(yùn)動，而這個過程無需有意識的努力。偽觸覺是一種觸覺錯覺，是利用大腦如何接收、處理和回應(yīng)觸覺和動覺輸入而產(chǎn)生的模擬體驗。

該組研究人員提出如下假設(shè)，通過多感官偽觸覺結(jié)合基于手腕的觸覺偽觸覺和視覺偽觸覺，可能會引起受試者對虛擬互動的真正感知。此外，這種方法提供了一種平衡目前觸覺可穿戴設(shè)備的負(fù)擔(dān)問題和視覺偽觸覺渲染中缺乏觸摸真實(shí)感問題的方法。在兩項心理物理學(xué)實(shí)驗研究中，發(fā)現(xiàn)受試者可將這種多感官感覺映射到物理物體的硬度上，并且用戶可以分辨出不同通過偽觸覺和所指的觸覺反饋渲染的參數(shù)調(diào)制的虛擬互動的硬度，該方法為創(chuàng)建廣泛的觸覺互動提供了一個潛在的指導(dǎo)。

絕對剛度估計測試

虛擬剛度判別測試

實(shí)驗結(jié)果表明，受試者能夠可靠地感知到虛擬按鈕交互的剛度，即等同于與物理按鈕交互時感受到的剛度。與單獨(dú)的觸覺或視覺反饋相比，多感官反饋擴(kuò)大了與虛擬交互相關(guān)的物理剛度范圍。虛擬剛度渲染的效果并不依賴于對物理對象的引用，因為受試者可系統(tǒng)地區(qū)分兩個虛擬按鈕的剛度。多感官反饋增加了對虛擬按鈕剛度和辨別性能差異的敏感性。與單模態(tài)偽觸覺反饋相比，多感官偽觸覺反饋減少了物理到虛擬剛度映射和任務(wù)性能的個體差異。研究結(jié)果證明了在廣泛的應(yīng)用中使用多感官偽觸覺來呈現(xiàn)與虛擬物體的交互的潛力。

03 研究展望

O'Malley表示："偽觸覺并不是什么新鮮的技術(shù)，視覺和空間幻覺的研究和應(yīng)用已發(fā)展了20余年。例如，當(dāng)你移動你的手時，大腦對它應(yīng)該在哪里有一種運(yùn)動感，如果你的眼睛看到手在另一個地方，你的大腦會自動注意到。通過故意制造這些差異，有可能創(chuàng)造出一種觸覺錯覺，你的大腦將其解釋為：'我的手碰到了一個物體'。關(guān)于偽觸覺最有趣的是，你可以在沒有硬件負(fù)擔(dān)的情況下創(chuàng)造這些感覺"。

受試者佩戴的護(hù)腕有一條可以收緊和擠壓手腕的電動繩，以及小型振動馬達(dá)，這與手機(jī)上發(fā)出無聲警報的部件相同，分布在手腕的頂部、底部和兩側(cè)。這些振動的時間和程度以及護(hù)腕擠壓的時間和力度都可以相互協(xié)同，并與受試者在虛擬現(xiàn)實(shí)中的動作相匹配。結(jié)果表明，機(jī)械化護(hù)腕的協(xié)調(diào)觸覺增強(qiáng)了偽觸覺信號的真實(shí)性和可信程度。

在實(shí)驗中，研究人員讓受試者按下被編程為模擬不同程度硬度的虛擬按鈕。研究表明，受試者能夠感覺到四個虛擬按鈕中不同程度的硬度。為了進(jìn)一步證明該系統(tǒng)可以模擬的物理互動范圍，該團(tuán)隊隨后將其納入其他九種常見的虛擬互動類型，包括拉動開關(guān)、旋轉(zhuǎn)表盤以及抓取和擠壓一個物體，受試者均有較強(qiáng)的沉浸感和操控感，其中偽觸覺的可信度都比較高。

O'Malley總結(jié)："保持雙手自由，同時將手腕處的觸覺反饋與視覺偽觸覺相結(jié)合，是增強(qiáng)VR中用戶體驗的一個有趣的新方法。"

多通道偽觸覺按鈕

內(nèi)容來源：https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230222141144.htm