潮新聞 見習(xí)記者 涂佳煜 通訊員 徐珊

交互系統(tǒng)中的手持裝置實(shí)物。西湖大學(xué)供圖

6月6日凌晨,，蘋果公司全球開發(fā)者大會(huì)后,，元宇宙再一次成為熱詞。蘋果公司推出了它第一款混合現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備Apple Vision Pro,，標(biāo)志著又一科技巨頭向虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)進(jìn)軍,。

時(shí)間倒回1992年,，美國作家尼爾·斯蒂芬森在科幻小說《雪崩》中，第一次向世人展示了接入元宇宙的方式：戴上耳機(jī)和目鏡,，找到連接終端,，就能夠以虛擬分身的方式進(jìn)入由計(jì)算機(jī)模擬、與真實(shí)世界平行的虛擬空間,。

從耳機(jī),、目鏡，到虛擬現(xiàn)實(shí),、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí),，高科技設(shè)備為我們打開了元宇宙的入口。當(dāng)頭顯里的LED屏幕亮起,，使用者便產(chǎn)生了置身于數(shù)字世界的實(shí)感——即便,，眼前的事物都只是視聽效果制造的幻象。

近日,，西湖大學(xué)姜漢卿團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《自然》雜志子刊《自然-機(jī)器智能》上的一項(xiàng)研究成果卻告訴我們,，元宇宙可以不只是幻象。他們?cè)趪H上首次提出并開發(fā)了“高保真主動(dòng)機(jī)械觸感交互系統(tǒng)”,，為元宇宙帶來了全新的觸覺感知維度,。西湖大學(xué)工學(xué)院博士后張壯為本文第一作者，西湖大學(xué)工學(xué)院講席教授姜漢卿為該文通訊作者,。

而這項(xiàng)突破,，竟然還與中國傳統(tǒng)手工藝“折紙”有著奇妙的聯(lián)系。

高保真主動(dòng)機(jī)械觸感交互系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu),。西湖大學(xué)供圖

捉摸不透的觸覺

比起視覺與聽覺，人類的觸覺一直更加令人捉摸不透,。

在感官機(jī)制的研究上,，科學(xué)家揭開觸覺奧秘的過程比聽覺與視覺要艱難得多。2021年,，美國科學(xué)家大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安因發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺受體獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),。而早在上世紀(jì)60年代，科學(xué)家就分別因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)耳蝸內(nèi)刺激的物理機(jī)理”和“發(fā)現(xiàn)眼內(nèi)視覺的初級(jí)生理和化學(xué)過程” 獲得了兩屆諾貝爾獎(jiǎng),。

觸覺很神秘,。在人類的五感中扮演著極為重要的角色——視、聽覺在信息接收方面居于主導(dǎo)地位,，味,、嗅覺處于輔助地位，觸覺則居于根本地位,。已有研究表明,，人可以僅依靠“察知觸覺”來識(shí)別物體及其屬性特征,，伴隨著觸碰的過程，情緒,、情感在一定程度上也會(huì)被喚醒,。我們據(jù)此獲得對(duì)外部世界的體驗(yàn)與認(rèn)知。

觸覺如此不可替代,。研究者們也很快意識(shí)到,，它是元宇宙世界缺失的一塊重要拼圖。

媒介理論家麥克盧漢有一句著名的論斷：媒介是人體的延伸,。問題在于,，如何才能找到延伸觸感的媒介？

震動(dòng)是最初級(jí)的形式,。早期出現(xiàn)的一些游戲手柄,，能夠根據(jù)游戲內(nèi)容配合不同的震動(dòng)方式，讓使用者感受到引擎啟動(dòng),、子彈發(fā)射的瞬間,。

2019年，柔性電子之父,、美國西北大學(xué)約翰·羅杰斯院士聯(lián)合黃永剛院士開發(fā)了一種無線、無電池的觸覺制動(dòng)器,，它類似一種覆蓋在皮膚上的“貼片”,，使用的原理仍然是機(jī)械震動(dòng)。震動(dòng)模式可以通過編程操控,，從而模擬VR/AR情境下人的觸摸,、物品的性狀、身體的碰撞等,。

2021年,，科技巨頭Meta發(fā)布觸覺感知手套，用壓力大小調(diào)控觸覺,。從外觀上看,，這款手套上布滿了可伸縮、活動(dòng)的黑色充氣塑料墊,。握住一個(gè)虛擬物品,，手指上的氣閥會(huì)充氣壓迫來模擬阻力；塑料墊輕輕拉動(dòng)皮膚,，還能模擬重力牽引的效果,，讓人感受到物體的重量。

然而,，密切關(guān)注這些研究進(jìn)展的姜漢卿告訴記者,，如果把這些模擬觸覺的方法歸歸類,，會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們本質(zhì)上都是在用設(shè)備將觸感“灌輸”給你：當(dāng)你拿到一個(gè)虛擬的物品,，你獲得的觸感來自于馬達(dá)的振動(dòng),、氣囊的膨脹，就像坐在4D電影院里突然感受到座椅的晃動(dòng),，實(shí)際上,，是機(jī)器在碰你，而不是你在碰機(jī)器,。

姜漢卿將此類觸覺稱為“被動(dòng)觸覺”,，在日常生活中，接收被動(dòng)觸覺的部位大多是肩,、胸,、腰、背,。而人的手和腳,，應(yīng)當(dāng)是“主動(dòng)觸覺”的主要器官?！昂唵卫斫?，主動(dòng)觸覺來自我們主動(dòng)發(fā)起的行為，需要我們有意識(shí)地控制肌肉發(fā)力,，去觸碰眼前的物體,。”姜漢卿解釋說,。

能否將“主動(dòng)觸覺”也引入元宇宙中,？姜漢卿團(tuán)隊(duì)擺脫當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)交互的思維定式，開始了新的探索,。

姜漢卿。西湖大學(xué)供圖

“折”出真實(shí)的體驗(yàn)

傳統(tǒng)折紙藝術(shù)的魅力,，在于以平面塑造空間,，以簡單塑造繁復(fù)。

運(yùn)用最基本的幾何原理,，薄薄的紙張能被折疊成多樣的立體造型,。反過來，一塊極小的折疊起來的紙塊,，展開后也能形成很大的面積,。

這和觸覺交互有什么關(guān)系？

讓我們從姜漢卿對(duì)折紙力學(xué)特性的興趣說起。

2020年,，姜漢卿曾發(fā)表過一篇學(xué)術(shù)文章,，通過“曲線折紙”的折痕切換實(shí)現(xiàn)材料正剛度、零剛度,，直到負(fù)剛度的原位調(diào)節(jié),。這是一次純粹的力學(xué)原理探索。對(duì)于姜漢卿來說,，他非常享受用紙張這樣簡單的物品設(shè)計(jì)復(fù)雜解決方案的過程,。

科研上，姜漢卿是一位“跨界達(dá)人”,。后來,，他想到把這種折紙與機(jī)器人研究結(jié)合起來?！罢奂埐牧峡赡芎苘?，但是依賴于不同的折疊方式，折紙結(jié)構(gòu)又會(huì)變得很硬,，基于折紙結(jié)構(gòu)的機(jī)器人,，就可以隨時(shí)調(diào)節(jié)軟硬程度?！?/p>

再跳躍到虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中,，一款能夠任意調(diào)節(jié)軟硬度的設(shè)備，不恰好能夠模擬不同類型的物體特征,，供使用者去體驗(yàn)嗎,？

姜漢卿團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩款交互裝置：一種可引發(fā)局部觸感的手持式裝置, 用戶可通過主動(dòng)抓握，體驗(yàn)不同物品的軟硬程度,；還有一種可以產(chǎn)生全身體感的腳踏式裝置，用戶可通過主動(dòng)踩踏,，以全身運(yùn)動(dòng)的形式體驗(yàn)其所處的環(huán)境地面的特性,。

手持裝置的外觀是一個(gè)球體，上面的5個(gè)位點(diǎn)對(duì)應(yīng)人的5根手指,。仔細(xì)觀察裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu),，每一個(gè)位點(diǎn)下面是呈現(xiàn)“X”形狀交叉的兩片成組的曲線折紙塑料片。電機(jī)帶動(dòng)10個(gè)塑料片扭轉(zhuǎn)成各種不同角度,，就形成了對(duì)應(yīng)不同物體材質(zhì)的不同“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而非塑料片,，而且數(shù)量更多,、矩陣排布，通過拉繩的方式改變曲線折紙的角度，從而改變剛度,。

當(dāng)使用者按壓位點(diǎn)時(shí),，曲線折紙會(huì)彎曲成不同的角度，產(chǎn)生不同大小的反力,，給予用戶不同的“彈性”反饋,。這種觸覺的變化傳遞給大腦，大腦就會(huì)根據(jù)“軟硬”做出判斷：抓到的是棉花,，是木板,，還是鋼球。如果把手換成腳,，大腦同樣會(huì)根據(jù)腳所傳遞的剛度反饋,，來判定人是走在馬路上、草地上,，還是踩在冰上,。

最后，團(tuán)隊(duì)還通過用戶調(diào)查,、肌電圖,、心率測量等手段檢驗(yàn)了用戶使用設(shè)備的真實(shí)感受。

體驗(yàn)者站在虛擬的冰面上,，隨著踩踏力度的加大,，折紙材料會(huì)在某個(gè)瞬間產(chǎn)生結(jié)構(gòu)塌陷，突破負(fù)剛度,，與之對(duì)應(yīng)的是VR眼鏡中冰面突然出現(xiàn)破裂,。踏空墜落的失重感使體驗(yàn)者的心率曲線瞬間達(dá)到高峰。

虛擬世界,，就這樣擁有了真實(shí)世界的觸感,。

參觀者在2023世界移動(dòng)通信大會(huì)上體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),?！⌒氯A社發(fā)

應(yīng)用空間無限大

姜漢卿給類似的折紙裝置起了個(gè)名字，叫做“折紙機(jī)械超材料”,。

“折紙”折的不一定是紙,，所謂“超材料”，也并非某種特定材質(zhì)的物質(zhì)——超材料的性能不依賴于材料本身的分子結(jié)構(gòu)或者晶體結(jié)構(gòu),，而是依賴于其精巧的構(gòu)型,。

結(jié)構(gòu)決定材料性能，這帶來了一大優(yōu)勢,。無論是“手球”里的塑料片,，還是“踏板”中的鋼片,，都是團(tuán)隊(duì)網(wǎng)購取得的，可以被替換為任何有彈性,、低成本的材料,。姜漢卿說，實(shí)驗(yàn)室里最多的就是美工紙,，探索結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,，簡簡單單的紙張就足夠了。

當(dāng)然,，用于折疊的平面材料也可以變得很“豪華”,。

姜漢卿最早接觸折紙時(shí)，研究的是“折疊電池”,。他們將構(gòu)造鋰電池需要的各種材料切割后堆疊在一起進(jìn)行整體封裝,，再通過“折紙”制作成型。如此一來,，便可以實(shí)現(xiàn)十幾倍的反復(fù)拉伸,、彎曲和扭轉(zhuǎn)，同時(shí)保持著電池容量和輸出功率不變,。

在本次研究里,，他們選擇從“機(jī)械觸感”，也就是材料的剛度,、物品的軟硬度入手,，模擬手和腳主動(dòng)觸摸物體時(shí)的感覺。而除了剛度之外,，對(duì)物體表面紋理,、溫度、濕度等的感知也是觸覺的組成部分,。借鑒“折疊電池”的原理,，這些觸覺體驗(yàn)同樣可以通過在折紙材料中使用柔性電子工藝集成大量的傳感器件來實(shí)現(xiàn)。

此外,，團(tuán)隊(duì)還希望在未來用折紙打造更大尺度的虛擬體驗(yàn),，在更大的場景中實(shí)現(xiàn)交互。

姜漢卿大膽展開設(shè)想：“想象一個(gè)房間的地面上布滿了折紙裝置,，如果虛擬世界中的我想要坐下，地上就能‘生長’出一張椅子,，想劃船,、想騎摩托車，裝置就能模擬出船和摩托車的形狀來……”

除了更真實(shí)的娛樂體驗(yàn)外,，這項(xiàng)研究在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支撐的其他人機(jī)交互領(lǐng)域,，也有著非常廣闊的應(yīng)用空間。

論文中列舉了一些可能的應(yīng)用場景：主動(dòng)觸覺技術(shù)可以用于醫(yī)療診治和康復(fù)訓(xùn)練，幫助肢體受傷或者中風(fēng)患者重建觸覺感知力,；VR場景配合能夠模擬跌倒感的腳踏裝置,，可以用于恐高癥患者的治療；在使用VR模擬深海,、太空等極端環(huán)境,，輔助特殊人員訓(xùn)練時(shí)，引入主動(dòng)觸覺能幫助他們更全面地認(rèn)知環(huán)境,，從而做出更加理性的選擇……

從折紙到元宇宙,，姜漢卿對(duì)新事物的探索一直樂此不疲，但他同時(shí)相信,，“科研需要?jiǎng)?chuàng)新,，要有societal impact（社會(huì)影響力），要對(duì)這個(gè)社會(huì)真正有貢獻(xiàn),，所以我的實(shí)驗(yàn)室叫做Beyond mechanics with societal impact（有社會(huì)影響力的跨力學(xué)實(shí)驗(yàn)室）,。”

從這項(xiàng)研究中,，我們正看見了想象力創(chuàng)造社會(huì)價(jià)值的力量,。

日前,，蘋果公司推出的它的第一款混合現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備Apple　Vision　Pro,。（圖源為蘋果公司官網(wǎng)）

延伸閱讀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦能千行百業(yè)

據(jù)新華社消息整理

游戲無疑是當(dāng)下虛擬現(xiàn)實(shí)成熟、普及的應(yīng)用場景,。不過,，令人關(guān)注的是，隨著大公司陸續(xù)進(jìn)場,、企業(yè)投入不斷加大,，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)正逐漸褪去單一的游戲娛樂色彩，向更多應(yīng)用場景拓展,，加速與千行百業(yè)的融合,。

工業(yè)生產(chǎn)

當(dāng)前,，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì),、制造裝配、操作維護(hù),、產(chǎn)品展示等方面應(yīng)用較多，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化改造,，以實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、可視化管理,、數(shù)字化決策,。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為主業(yè)的寶通科技公司2022年7月發(fā)布了數(shù)字孿生智慧礦山系統(tǒng)，基于AR和VR智能設(shè)備,、裸眼3D混合現(xiàn)實(shí)空間等數(shù)字化產(chǎn)品，構(gòu)建了礦山應(yīng)用場景的數(shù)字畫像,，加速礦山各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能協(xié)同。

醫(yī)療診斷

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在成為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)手段的有效補(bǔ)充,，有效提升了病例討論,、教學(xué)查房、遠(yuǎn)程醫(yī)療,、醫(yī)患溝通的效率,。借助一種基于三維智能影像技術(shù)的智能醫(yī)療影像系統(tǒng)，醫(yī)生可以直觀,、精準(zhǔn)地定位病灶,，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診、雙向?qū)崟r(shí)互動(dòng)等,。

文化旅游

深圳市文化廣電旅游體育研究中心研究顯示,，文旅產(chǎn)業(yè)在虛實(shí)融合中走出了一條新路徑,，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備成為文旅產(chǎn)業(yè)生態(tài)的新入口,。在杭州西湖，游客只需要一部手機(jī),，對(duì)著實(shí)景掃一掃，就可以開啟AR導(dǎo)航導(dǎo)覽模式,，體驗(yàn)沉浸式實(shí)景導(dǎo)航以及虛實(shí)融合導(dǎo)覽體驗(yàn)。在重慶三峽文物科技保護(hù)基地,，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越多地被引入到文物科技保護(hù)領(lǐng)域,，觀眾戴上特制的頭盔,，就可以身臨其境體驗(yàn)文物修復(fù)的過程,。

智慧生活

以虛擬現(xiàn)實(shí),、數(shù)字人,、數(shù)字孿生等元素為特點(diǎn)的虛實(shí)共生新型社會(huì)形態(tài)正在從科幻走向現(xiàn)實(shí),。南昌等城市推出了數(shù)字孿生城市平臺(tái)，助力城市智慧綜治、智慧平安社區(qū),、智慧政務(wù)等多重領(lǐng)域的數(shù)字化升級(jí),；OPPO公司最新發(fā)布的單目智能眼鏡,，支持觸控,、語音,、手勢,、頭動(dòng)操控四種交互方式,，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航,、天氣預(yù)報(bào)、健康信息推送等功能,，未來有望在健身,、辦公等場景中發(fā)揮作用。

教育培訓(xùn)

在虛擬現(xiàn)實(shí)、5G,、人工智能等前沿技術(shù)的融合發(fā)展下,，虛擬學(xué)習(xí)資源、全息互動(dòng)教學(xué),、VR/AR教育科普應(yīng)用等新型教育方式應(yīng)運(yùn)而生,。在廣州，一些中小學(xué)在科學(xué)課堂上引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),，以更直觀更生動(dòng)的方式引導(dǎo)學(xué)生探索地球,、生物、人體的奧秘,；借助VR眼鏡的超高清視覺體驗(yàn),，北京等地的駕校開始嘗試“VR+駕駛培訓(xùn)”，坐進(jìn)VR智能駕駛培訓(xùn)模擬器,，學(xué)員眼前就會(huì)出現(xiàn)真實(shí)還原的道路,，各種天氣、路況都可以進(jìn)行模擬,。

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