触觉集成的未来，超越VR和AR视觉
作者: Jon Gabay
图源：VectorCookies/Stock.adobe.com
先进的虚拟现实 (VR) 以其复杂巧妙的图形和音频欺骗我们的感官，让我们对虚拟提示做出本能的反应。VR和增强现实 (AR) 固然在游戏领域地位卓著，但目前在专业领域同样愈发重要，与触觉技术相结合时尤为如此。多种技术相互结合，让我们不仅可以虚拟地触摸物体，还可以辨别物体的质地、温度甚至阻力。这种触觉反馈在专业应用中变得愈发关键：例如，外科医生在远程手术过程中需要判断阻力；技术人员维修卫星时需要确保可触知的握持力；自动化工程师在使用虚拟控制台时也需要触觉确认。就本质上而言，随着VR和AR日益成熟，它们提供的细微物理反馈在精密任务中变得至关重要。未来，我们在数字互动中的触觉，也会和现实世界中一样体现出各种细微差别。
触觉手套、服装和椅子
最早得到广泛采用的触觉技术是力反馈触觉手套。许多制造商都提供触觉手套，这种手套可以通过编程的方式对手指和手部运动施加阻力，让用户感受到虚拟物体的大小、密度和重量。它们借助磁性摩擦片来模拟物体的阻力和触感。有些手套可以提供高达20牛的力，以此模拟2公斤的砖施加在每根手指上的重量。还有一些手套甚至有温度控制功能，让用户能够感觉到远处物体的温度。
触觉手套必须做到迅速响应和超低延迟。当用户使用沉浸式技术进行危险工作培训时，这一点尤为重要，因为这让他们能够在没有高风险的情况下体验高风险场景。这种低延迟意味着用户在实时执行手势时可以感受到阻力或其他感觉。
VR和AR头显使用加速度计来跟踪头部运动，手套也可以借助加速度计、反射计或视频来跟踪手部运动。反射计可以通过对两个（或更多个）红外发射器与一个或多个红外传感器进行三角测量来感知位置，这些发射器可以安装在头显、游戏主机或手套里（图1）。
图1：笔者自己动手做了一个动作感应手套，它利用适当位置的红外发射器向其他地方的传感器发送信号。其他动作感应手套可在手套上嵌入传感器，并通过放置在其他地方的两个或更多发射器进行三角测量（图源：本文作者）
解决了动作、手势和触摸的感知，事情还只是做了一半；剩下的另一半就是要让佩戴者产生身体感觉。为此，业界已经开发了许多令人兴奋的技术，包括磁力（类似于扬声器纸盆的运动）、振动执行器、压电阵列和微流体。有些系统甚至使用声波产生力场。
类似地，装有执行器的紧身衣和背心可以让穿戴者全身都能感受到触觉刺激。许多公司都在生产主要针对游戏市场的触觉背心， bHaptics TactSuit X40（图2）就是其中一款；顾名思义，这套衣服包含40个振动马达，可提供身临其境的感官刺激。
图2：bHaptics TactSuit X40触觉背心包含40个振动电机感应执行器，并提供有线或无线连接 （图源：bHaptics）
触觉椅也能提供触觉体验。这些椅子主要用于游戏和飞行训练等应用，可以模拟重力、加速度和湍流。
借助声波产生触觉
感官错觉技术已经取得了长足进步，让用户能够感觉自己在动态数字环境中真正触摸到了物体。值得一提的是，使用超声波发射器，声波力场会产生汇聚在目标上的波阵面，让用户感受到触觉。
例如，Ultraleap Leap Motion Controller 2就是很好的例证，它使用基于视频的手部跟踪来进行3D交互。其先进的视频成像可检测手部动作和方向。控制器与超声波换能器阵列配对，将空气压力导引到特定位置，使用户能够在从点击按钮到握球的过程中感受到触觉。
未来如何发展？
所有这些当前技术都预示着这样一个未来：我们的数字体验跨越了所有感官，融合了物理世界和数字世界。在不久的将来，触觉技术将通过以下一些潜在的方式，与其他感官反馈系统相结合：
医疗康复与训练
触觉技术可以变革身体康复实践。配备触觉反馈的设备可以引导患者完成精确的运动模式。例如，对于重新学习手臂运动的患者，当患者偏离正确的姿势时，触觉设备可以提供阻力或振动提示，使治疗师即使在几英里外也能数字化地“感觉”并调整患者的动作。
房地产与建筑
触觉技术也可以改变房产参观和建筑展示的方式，让它们不只是3D模型和虚拟演示。触觉技术可以模拟各种材料的触感，如木地板的纹理或地毯的柔软，从而为数字游览提供触觉层，帮助客户在没有实物的情况下与空间或设计建立联系。
艺术与数字创作
数字领域的艺术将获得有形的维度。通过触觉工具，艺术家可以在虚拟空间中体验他们正在制作的材料的感觉，无论是粘土的可塑性还是石头的硬度。这种触感界面可以丰富创作过程，让数字艺术像传统方法一样自然。
教育
即使在数字教室，触觉技术也可以让学生体验亲自上手学习的乐趣。学生将能够感受到各种研究（从历史文物的表面到分子的复杂结构）的虚拟对象。这种额外的触觉层可以促进更好的理解和参与。
游戏和娱乐
游戏世界将更加身临其境，甚至远超当下。配备触觉服装或控制器的玩家不仅可以看到或听到他们的虚拟环境，还可以感受到它们。无论是外星星球的质感，还是中世纪战争游戏中的箭带来的冲击力，触觉技术都会让游戏世界变得生动起来。
人际关系
通过触觉界面，人际交往中的距离可能会变得不那么遥远。可穿戴设备可以模拟实时的身体感觉，将简单的视频通话变成虚拟的握手会话。通过触觉反馈，轻轻挤压一端就可以让另一端感受到安慰，从而缩小了千里之外的情感鸿沟。
在所有这些领域中，触觉作为数字和实物之间的桥梁，加强了虚拟交互的真实感。随着我们的进步，触觉与视觉和听觉反馈的复杂融合将重新定义我们的体验，让现实与虚拟更加紧密融合。
结语
触觉技术在提升人类能力、保护工人远离危险环境、提供系统远程控制、实现远程就医流程等方面可以发挥关键作用。微妙的触觉对于判断某人何时使用了足够的力量或过度的力量至关重要。这就是优质、准确的触觉技术可以发挥作用的地方。
我们期待看到触觉技术在军事、医疗、工业、农业、航空航天、工厂环境以及游戏和其他行业的发展和应用。我们正处于一场新技术革命的初始阶段。
作者简介
Jon Gabay拥有电气工程专业背景，曾就职于国防、商业、工业、消费、能源和医疗公司，担任过设计工程师、固件编码师、系统设计师、科学家和产品开发人员。作为一名替代能源研究者和发明家，在2004年之前他曾成立并运营了一家专注于自动化技术的公司 - Dedicated Devices。此后，他一直从事着技术研发工作，并撰写了多篇文章，为新一代工程师和学生提供了多种参考资源。
