Nature：虚拟现实，看得见还要“摸得着”

前一段时间热映的电影《头号玩家》，着实让游戏宅男们兴奋了一把，小希也不例外。电影中，在各种虚拟现实设备的帮助下，玩家们进入名为“OASIS”的虚拟世界，“可以做任何事，去任何地方”，无论是度假冲浪，还是与小伙伴大杀四方，给人的感觉都和现实一样。电影终归是电影，作为一名理工男，小希非常关注类似的技术何时才能真正上市。

图片来源：电影《头号玩家》海报

虚拟现实（virtual reality, VR）在如今已经不能算是项新技术。世界上第一台VR设备——达摩克利斯之剑，出现于1968年。不过据说由于设备太重，不得不把它固定在天花板上。经过多年的发展，目前的VR设备大多能虚拟视觉和听觉，而且精细程度也几乎能够以假乱真，让人们能看到和听到虚拟世界，但更复杂的虚拟触觉却涉及不深。有些专门为赛车游戏配备的力反馈方向盘、踏板、排档等设备，可以很好地模拟赛车时的手感和脚感，算是比较接近虚拟触觉的了。

“达摩克利斯之剑”。图片来源于网络

赛车游戏相关的装备。图片来源于网络

除了VR之外，增强现实（Augmented Reality，AR）也是热门技术，相当于把虚拟物体放在你周围，带给你身临其境的体验。不久前，《Pokemon Go》曾在全球范围内引起了AR技术的热潮，在手游中上演现实版“捉妖记”。

Pokemon Go。图片来源于网络

Pokemon Go漫画。图片来源于网络

然而，相比于越来越成熟的针对眼睛和耳朵的虚拟体验，想要在技术上“蒙蔽”人体负责感知触觉同时也是面积最大的器官——皮肤，难度非常之大。近日，美国西北大学黄永刚（Yonggang Huang）教授（点击查看介绍）和John Rogers教授（点击查看介绍）等研究者在Nature 杂志上发表文章，首次实现将复杂的触摸感融合到VR和AR中。他们发明了一种无线、无电池的皮肤虚拟现实装置，能够轻轻地贴合于皮肤，并通过时空可编程的局部机械振动模式来传递信息。下面，让我们一起进入带有触觉的VR/AR体验。

图片来源：Nature Video

虚拟触觉。图片来源：Nature ^[1]

研究者开发的皮肤虚拟现实装置，包括将电能转化为振动的机械部件；封装在聚酰亚胺（PI）中的铜丝，具有可拉伸的弹簧式结构，将NFC环形天线、电阻器、电容器等器件连接在一起；无线控制系统夹在有机硅聚合物层之间，用于接收无线传输信号；最下面利用柔软的弹性层，无需胶带即可粘附到皮肤上。

皮肤虚拟现实装置。图片来源：Nature

每个微型振动装置只有1.4克，直径12到18 mm、厚度2.5 mm。设计原理很简单，利用的就是基本的高中知识：当电流通过线圈时，磁铁在洛伦兹力的作用下完成机械振动，而调节狭缝的角度就可以改变谐振频率。考虑到人类皮肤触觉可以检测出几微米的振幅，未来微型振动装置的直径和厚度可以分别减少10倍和3倍。

微型振动装置结构及优化。图片来源：Nature

由于每一个振动装置都很小，不但可以降低功耗，还可以增加相同电流下磁铁振动的加速度。通过对不同年龄的人不同部位的皮肤进行测试和模拟，当电流频率在100 Hz到300 Hz之间时，磁铁的振动给人体皮肤带来最强烈的感觉。

关键振动部件性能测试。图片来源：Nature

这些微型振动装置只需要大约1.75毫瓦，振幅约35 μm，就可以在指尖和手上引起显著的感觉。如此小的功率，通过电磁感应就可以满足供电需求，只要满足装置和无线电源的距离在1米以内即可。其通信方式采用近场通信（NFC），我们平日里坐地铁刷卡采用的就是这种无线协议。这就完美实现了无线、无电池的皮肤虚拟现实装置制备。

皮肤虚拟现实装置的总体结构和电路图。图片来源：Nature

这种皮肤虚拟现实装置可不仅仅可以用于玩游戏。研究者希望这种技术能够在通信、医疗等领域大放异彩。

现实场景应用。图片来源：Nature

2005年10月15日凌晨4时，Anderson在伊拉克战争中遭到伏击，“一枚炸弹在卡车下面爆炸了”，这使得他右臂肘部以下被截肢。他最近就尝试了西北大学的虚拟触觉系统，力量从假肢指尖传给手臂，震动强弱取决于他握紧物体的力度。“我需要知道我的握力，以防止抓取鸡蛋时把它弄碎，以及用力时伤到其他人” Anderson说。^[2]

体验虚拟触觉系统的Anderson。图片来源：西北大学 ^[2]

“过去的触感设计包括驱动器、电线、电池等各种外部装备，而我们设计的皮肤接口利用微型驱动器，很容易的实现了设备轻便可穿戴。”John Rogers教授说。“与眼睛和耳朵相比，针对皮肤的虚拟现实可以显著提升设备的体验。”黄永刚教授说，“在可预见的未来，与家人视频时的虚拟触摸可能会变得和现在打电话一样平常。”^[2]

“触感皮肤”。图片来源：西北大学 ^[2]

当然，这套刚刚问世的“触感皮肤”还存在一定局限性。比如，相对于目前市面上的其他智能穿戴产品，电流设定偏高；尽管优化后的微型驱动装置只需要1.75毫瓦的功率，但该技术仍面临功耗大的问题；而且装置的散热性能也没有考虑在设计范围之内^[1]。不过，正如作者所说，驱动器的小型化可能是解决这些问题的一个最可行的方法。触觉在VR/AR中的应用才刚刚开始，触觉接口的开发对于个性化康复、手术训练、教育反馈和多媒体娱乐体验等领域都有着潜在的应用，未来一定会有更令人兴奋的研究进展。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtual and augmented reality

Xinge Yu, Zhaoqian Xie, Yang Yu, Jungyup Lee, Abraham Vazquez-Guardado, Haiwen Luan, Jasper Ruban, Xin Ning, Aadeel Akhtar, Dengfeng Li, Bowen Ji, Yiming Liu, Rujie Sun, Jingyue Cao, Qingze Huo, Yishan Zhong, ChanMi Lee, SeungYeop Kim, Philipp Gutruf, Changxing Zhang, Yeguang Xue, Qinglei Guo, Aditya Chempakasseril, Peilin Tian, Wei Lu, JiYoon Jeong, YongJoon Yu, Jesse Cornman, CheeSim Tan, BongHoon Kim, KunHyuk Lee, Xue Feng, Yonggang Huang, John A. Rogers

Nature, 2019, 575, 473–479, DOI: 10.1038/s41586-019-1687-0

导师介绍

黄永刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/26798

John Rogers

https://www.x-mol.com/university/faculty/61111

参考资料：

1. Tao X. Virtual and augmented reality enhanced by touch. Nature, 2019, 575, 453-454. DOI: 10.1038/d41586-019-03506-3

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03506-3

2. ‘Epidermal VR’ gives technology a human touch

https://news.northwestern.edu/stories/2019/11/epidermal-vr-gives-technology-a-human-touch

（本文由小希供稿）