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        支持遠(yuǎn)程觸摸的“虛擬皮膚”誕生,可與人體集成

        2019-01-06 02:21:22孫滔
        海外星云 2019年21期
        關(guān)鍵詞:美國西北大學(xué)觸感羅杰斯

        孫滔

        孩子想念祖母了,于是在平板電腦視頻通話的時(shí)候觸摸祖母的手臂,另一端佩戴電子皮膚的祖母立即感受到了孩子的撫觸;男子在假肢機(jī)械手臂裝上電子皮膚,當(dāng)拿起手機(jī)時(shí),頓時(shí)有了持握反饋;游戲玩家在手臂、胸部和背部佩戴電子皮膚之后,當(dāng)游戲角色受到相應(yīng)部位打擊時(shí),玩家也感同身受。這些場景已不再是夢想,超越目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的語音和視頻通訊,撫觸通訊時(shí)代到來了。

        11月21日,《自然》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)道了一種在皮膚表面的無線觸覺反饋界面。這個(gè)裝置通過機(jī)械振動的方式進(jìn)行通訊,可作為虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)合成皮膚,可讓你與遠(yuǎn)方的親友牽手,還能在互聯(lián)網(wǎng)游戲中感受到隊(duì)友的拍肩鼓勵(lì),當(dāng)然,這個(gè)裝置也可用于醫(yī)學(xué)。

        文章通訊作者之一、美國西北大學(xué)材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程教授約翰·A·羅杰斯表示,這個(gè)研究第一次在人體皮膚上大面積實(shí)現(xiàn)了靈活且復(fù)雜的虛擬觸摸,超越了音頻和視頻通訊,是VR/AR(虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù))質(zhì)的飛躍。

        一位母親在電腦屏幕上虛擬撫摸孩子

        皮膚VR

        目前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大都是通過頭戴式顯示器、加速度傳感器和揚(yáng)聲器作為計(jì)算機(jī)模擬三維環(huán)境的基礎(chǔ),但這些技術(shù)缺失了觸摸感。要知道,皮膚是我們最大的器官,其中遍布的機(jī)械感受器帶來的觸摸感是我們與世界互動的基礎(chǔ)。

        此前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的可通信VR“皮膚”,需要借助緊貼在佩戴者身體上的有線電極,這些電極通過產(chǎn)生振動來刺激感官體驗(yàn)。但事實(shí)證明,要找到既能產(chǎn)生讓用戶反應(yīng)的合適電壓和電流,又不給皮膚造成疼痛或電刺激損傷,絕非易事。

        而這款新的皮膚VR系統(tǒng)采用了不同的技術(shù)路徑,它通過嵌入薄而柔軟的微型驅(qū)動器來傳遞觸感。羅杰斯團(tuán)隊(duì)長期從事皮膚可穿戴設(shè)備的研究,他們將可穿戴設(shè)備、微型驅(qū)動器等大量組件組合在一起,希望用戶能從皮膚得到反饋,而不是此前研究關(guān)注的從皮膚中獲取信息。

        美國西北大學(xué)這款裝置原型為15厘米x15厘米,無需電池和電線,其中有32個(gè)毫米級微型驅(qū)動器,每個(gè)驅(qū)動器1.4克,直徑為12厘米一18毫米,厚度為2.5毫米。驅(qū)動器嵌入到柔軟的硅樹脂中,每個(gè)驅(qū)動器可以獨(dú)立產(chǎn)生每秒最多200次振動的觸感。

        要讓那個(gè)這款裝置更舒適,那么就需要柔性界面。裝置中的驅(qū)動器被嵌入到薄而柔軟的有機(jī)硅聚合物中,無需膠帶即可粘附到皮膚上。其通信方式采用近場通信(NFC),這也是我們平時(shí)常用的一種電子支付技術(shù)。如此成就了一個(gè)薄而輕的裝置,且可無限期佩戴使用。羅杰斯說,他們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)通過用戶圖形界面,可即時(shí)調(diào)整每個(gè)驅(qū)動器的頻率和幅度。

        該裝置可以與平板電腦進(jìn)行無線通訊。當(dāng)用戶在觸摸屏界面畫出“x”圖案時(shí),裝置即可在皮膚上實(shí)時(shí)產(chǎn)生“x”圖案的觸感。當(dāng)人們進(jìn)行遠(yuǎn)程聊天時(shí),親友可以通過伸手進(jìn)行虛擬撫觸,其力度可以通過觸摸屏界面來設(shè)置。

        這款電子皮膚就像硅和金屬造就的千層面

        加勒特·安德森是一名伊拉克戰(zhàn)爭中失去右臂的陸軍老兵,2005年10月15日,炸彈碎片削斷了他的手臂。他在戴上美國西北大學(xué)的裝置后,明顯感受到了假肢指尖傳到手臂的壓力。羅杰斯認(rèn)為,經(jīng)過長時(shí)間磨合,大腦會將手臂上的感覺認(rèn)為是假肢手指的感覺,這相當(dāng)于重現(xiàn)了手指的觸摸感。

        靈敏度如何呢?羅杰斯表示,與強(qiáng)有力的“戳”不同,這種觸摸是一種輕柔的感覺,因?yàn)榭删幊?,?qū)動器的力度、振幅和頻率都是可控、可調(diào)的。

        文章通訊作者之一、美國西北大學(xué)機(jī)械工程系教授黃永剛則表示,基于精巧的力學(xué)設(shè)計(jì),該裝置中驅(qū)動器僅需要1.75毫瓦的功率就能誘發(fā)較強(qiáng)的觸感,通常市面現(xiàn)有驅(qū)動器需要大于100毫瓦的輸入功率。

        至于舒適性,皮膚接觸到貼片裝置很舒適。黃永剛介紹,該設(shè)備由微型化的可程序化控制的驅(qū)動器整列嵌入到柔軟輕?。?毫米)的橡膠材料構(gòu)成。因此整個(gè)裝置可輕柔的與人體集成,而不產(chǎn)生任何的約束感,同時(shí)可對人體表皮產(chǎn)生明顯的觸感。正如在《自然》文章中提到的,在社交媒體、游戲娛樂和假肢控制方面,用戶都獲得了完美的體驗(yàn)。

        觸摸顯示器上的圖像,佩戴電子皮膚的人就會感受到觸摸。從黃色到紅色,表示微型驅(qū)動器的激活程度

        有望實(shí)現(xiàn)全身VR

        黃永剛表示,這項(xiàng)研究極大地?cái)U(kuò)展了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的刺激方式和功能。從傳統(tǒng)的視覺和聽覺刺激到觸覺界面,首次通過可編程機(jī)械震動刺激皮膚的方式實(shí)現(xiàn)/轉(zhuǎn)遞人體對外部世界的虛擬增強(qiáng)體驗(yàn)。因?yàn)榕c眼睛和耳朵相比,AR和VR在皮膚感知層面的開發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,而皮膚傳感則能極大增強(qiáng)體驗(yàn),以及拓展通信、娛樂和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。

        研究人員正在努力拓展該裝置的使用范圍,比如開發(fā)可以發(fā)熱或拉伸力的驅(qū)動器,當(dāng)有熱輸入的情況下,你可以通過假肢指尖感受到一杯咖啡的熱量。黃永剛說:“我們下一步共工作主要是實(shí)現(xiàn)更輕薄的、更高分表率的柔性皮膚觸覺界面,并豐富不同的皮膚刺激方式,比如熱刺激和拉伸觸感的實(shí)現(xiàn)等?!?/p>

        更讓人興奮的是研究人員的最終設(shè)想,用成百上千個(gè)離散的可編程驅(qū)動器,將這個(gè)裝置擴(kuò)展到全身。穿上特制的VR套裝,加上VR頭盔,游戲者可以完全沉浸在虛擬世界中。

        中國香港理工大學(xué)紡織及制衣學(xué)講席教授陶肖明在《自然》雜志評論稱,鑒于人體皮膚可以分辨亞毫米級的觸覺,因此這個(gè)驅(qū)動器可以再加以微型化,縮小到原來1/10到1/3。

        陶肖明指出,該裝置還有一些缺陷,比如每個(gè)驅(qū)動器電流高達(dá)5毫安,這要比大部分消費(fèi)級電子產(chǎn)品的電流要高。另外,如果散熱管理不當(dāng),可能會影響微型驅(qū)動器性能表現(xiàn)以及讓皮膚發(fā)熱。還有就是,盡管驅(qū)動器的功率只有1.75毫瓦,但其總功耗可能會是限制該裝置持續(xù)無線通信的關(guān)鍵因素。這些問題最終的解決途徑要依靠進(jìn)一步微型化驅(qū)動器。

        在今年8月曾經(jīng)報(bào)道斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)開發(fā)的無線皮膚傳感器,主要用于醫(yī)學(xué)檢測,可舒適、便捷監(jiān)測心跳、呼吸和運(yùn)動。這項(xiàng)研究的第一作者、斯坦福大學(xué)博士后牛思淼表示,美國西北大學(xué)這項(xiàng)研究第一次實(shí)現(xiàn)了觸覺驅(qū)動器陣列與可拉伸近場通信技術(shù)的結(jié)合,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量和控制指令的無線傳遞。

        牛思淼認(rèn)為,之前的研究主要是實(shí)現(xiàn)皮膚上傳感器信號的無線收集,這是第一次實(shí)現(xiàn)了無線控制可拉伸的皮膚驅(qū)動器陣列,美國西北大學(xué)的成果為最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)又邁出了重要一步,而閉環(huán)系統(tǒng)可以極大提升系統(tǒng)的復(fù)雜性和功能性。比如,在血糖控制上,閉環(huán)系統(tǒng)可以通過緊貼在皮膚上的傳感器陣列得到血液里的血糖含量,然后經(jīng)過NFC無線傳遞到中樞處理器進(jìn)行分析控制。當(dāng)需要干預(yù)的時(shí)候,中樞處理器發(fā)出指令,通過驅(qū)動器進(jìn)行干預(yù),來實(shí)現(xiàn)全自動的閉環(huán)血糖控制。

        對于人們關(guān)心的商業(yè)化問題,羅杰斯說,這篇《自然》雜志論文只是一個(gè)起點(diǎn),是學(xué)術(shù)研究的首次展示,也許在一兩年內(nèi)會有商業(yè)化進(jìn)展。(摘自美《深科技》)(編輯/華生)

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