觸覺整合的未來 超越VR和AR視覺

先進的虛擬現實（VR）和擴增實境（AR）如今在專業領域中發揮著舉足輕重的作用，尤其是與觸覺相結合時；在即將到來的時代，我們的數字互動的觸覺細微差別將與現實變得難以區分。

先進的虛擬現實（VR）以其復雜的圖形和音頻欺騙我們的感官，使我們對虛擬提示做出本能的反應。雖然VR和擴增實境（AR）的顯著足跡是在游戲領域，但現在在專業領域中也發揮著舉足輕重的作用，尤其是與觸覺相結合時。

這種技巧的結合，讓我們不僅可以虛擬地觸摸物體，還可以辨別它的質地、溫度和阻力。這種觸覺回饋在專業應用中變得至關重要：例如，外科醫生需要在遠程手術期間量測阻力，技術人員在衛星維修期間需要有形的抓握保證，自動化工程師在使用虛擬控制面板時也需要尋求觸覺確認。

從本質上講，隨著VR和AR的成熟，它們提供細致入微的物理回饋在精確任務中變得至關重要。在即將到來的時代，我們的數字互動的觸覺細微差別將與現實變得難以區分。


觸覺手套、套裝和椅子
第一個廣泛采用的觸覺技術是強制反饋觸覺手套。許多制造商提供觸覺手套，可對手指和手部運動提供編程的阻力，讓用戶感受到虛擬物體的大小、密度和重量。它們使用磁力摩擦片來實現阻力和物體的感覺。有些手套可以提供高達20N的力，可模擬2公斤磚塊加在每個手指上的重量。有些手套甚至具有溫度控制功能，使用戶能夠感受到遠程物體的溫度。

觸覺手套必須快速反應，且延遲最小。當使用者使用沉浸式技術來培訓危險工作時，這一點尤其重要，因為它可以讓他們在沒有高風險的情況下體驗高風險場景。這種低延遲意味著用戶可以在實時執行手勢時感受到阻力或其他感覺。

VR和AR頭盔使用加速計來追蹤頭部運動，而手套可以使用加速計、反射計或視訊。反射計可以透過使用一個或多個紅外線發射器對兩個（或多個）紅外線傳感器進行三角測量來感應位置，這些發射器可以位于耳機、游戲機或手套中（圖一）。


 
圖一 : 作者制作的一款運動感應手套，它在重點位置使用紅外線發射器將數據傳輸到其他地方的傳感器，而其他運動感應手套可以在手套上嵌入傳感器，并從放置在其他地方的兩個或多個發射器進行三角量測。（source：Jon Gabay）

感知運動、手勢和觸摸，只是解決了問題的一半；另一半就是要創造出佩戴者的身體感覺。為此目的開發了幾種令人興奮的技術，包括磁力（類似于揚聲器紙盆運動）、振動致動器、壓電數組和微流體，有些系統甚至使用聲波產生的力場。
同樣，裝有執行器的連身衣和背心讓穿著者感受到全身的觸覺刺激。許多公司生產主要針對游戲市場的觸覺背心，bHaptics TactSuit X40就是這類設備之一（圖二）；顧名思義，該套裝包含40個振動馬達，提供身臨其境的感官刺激。


 
圖二 : bHaptics TactSuit X40觸覺背心包含40個振動運動感覺刺激器，并提供有線或無線連接。（source：bHaptics）

觸覺椅也能夠提供觸覺體驗。這些椅子主要用于游戲和飛行訓練等應用，可模擬重力、加速度和湍流。

使用聲波產生觸覺
感官錯覺技術已經顯著進步，讓用戶能夠感覺自己正在動態數字環境中真正觸摸物體。值得注意的是，使用超音波發射器，聲波力場會產生會聚在目標上的波前，讓使用者感受到觸覺。

例如，Ultraleap Leap Motion Controller 2就是很好的例證，它透過使用基于視訊的手部追蹤進行3D互動。其先進的視訊成像可偵測手部動作和方向。該控制器可以與超音波換能器數組配對，將氣壓引導到特定位置，使用戶能夠感受到從點擊按鈕到握住球的觸覺。

下一步是什么？
所有這些當前技術都預示著這樣的未來：我們的數字體驗跨越所有感官，融合物理世界和數字世界。以下是觸覺技術與其他感覺回饋系統結合，改變近未來的一些潛在方式：

醫療復健與培訓
觸覺技術可以改變身體復健實踐。配備觸覺回饋的設備可以指導患者完成精確的運動模式。例如，對于重新學習手臂運動的患者，當患者偏離正確姿勢時，觸覺裝置可以提供阻力或振動提示，使得治療師即使在數英里之外，也能以數字方式「感覺」并調整患者的運動。

房地產與建筑
觸覺技術還可以改變房地產參觀與建筑展示的方式，讓他們不僅僅是3D模型和虛擬演示。觸覺技術可模擬各種材料的感覺，例如木地板的紋理或地毯的柔軟度，可以為數字游覽提供觸覺層，幫助客戶在無需親自到場的情況下親身感受空間或設計。

藝術與數字創作
數字領域的藝術性將獲得有形的維度。借助觸覺工具，藝術家可以在虛空間中體驗他們正在處理的材料的感覺，無論是黏土的可塑性還是石頭的硬度。這種觸覺接口可以豐富創作過程，使數字藝術感覺像傳統方法一樣自然。

教育
觸覺技術保證了即使在數字教室中也能進行實作學習。學生將能夠感受到虛擬的研究對象—從歷史文物的表面到分子的復雜結構。這種額外的教育觸覺層可以促進更好的理解和參與。

游戲和娛樂
游戲世界將變得無與倫比，甚至比現在更令人身臨其境。配備觸覺套裝或控制器的游戲玩家不僅會看到或聽到他們的虛擬環境，還會感受到它們。無論是外星球的紋路或是中世紀戰爭游戲中箭頭的撞擊，觸覺技術都會讓游戲世界變得生動。

人際關系
透過觸覺接口，人際交往中的距離可能會變得不那么令人畏懼。穿戴式裝置可以仿真實時的身體感覺，將簡單的視訊通話轉變為虛擬的握手會話。透過觸覺回饋，一端的輕輕擠壓可以讓另一端感受到一種令人放心的觸摸，從而縮小了數英里之間的情感差距。
在所有這些領域中，觸覺充當數字和有形之間的橋梁，增強了虛擬互動的真實感。隨著我們的進步，觸摸與視覺和聽覺回饋的復雜結合將重新定義我們的體驗，讓現實與虛擬更加緊密融合。

結論
觸覺技術可以在提高人類能力、保護工人免受危險環境影響、提供系統遠程控制、實現遠距醫療程序等方面發揮關鍵作用。微妙的觸覺對于了解某人何時使用了足夠的力量或太多的力量至關重要，這就是高質量、準確的觸覺技術發揮作用的地方。
預計觸覺技術將發展并應用于軍事、醫療、工業、農業、航天、工廠環境以及游戲和其他產業。我們正處于新科技革命的開始。
（本文由貿澤電子提供）