文/VR陀螺 萬里

VR設(shè)備的沉浸感，是依靠我們對(duì)于欺騙大腦場(chǎng)景的構(gòu)建所營(yíng)造出來的。當(dāng)虛擬世界跟現(xiàn)實(shí)世界邏輯越相符，那么它提供給我們的沉浸感就越強(qiáng)烈。

想象一下，如果我們能夠在虛擬博物館中，用手撫摸、感受珍貴的文物；在VR游戲中，能真切感受到對(duì)方拋過來球的體積和重量；甚至是在社交軟件中與伴侶擁抱或者接吻，這會(huì)是多么有意思的一件事。

隔空接吻，圖源《生活大爆炸》

想要實(shí)現(xiàn)上面這些功能，離不開VR的觸覺反饋技術(shù)。

今年5月，在人機(jī)界面（ACM CHI）會(huì)議上，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)人機(jī)交互研究所的研究人員展示了一個(gè)觸覺反饋系統(tǒng)。這套系統(tǒng)有意思的地方在于，能夠讓你用嘴感受虛擬世界。

 虛擬接吻原來是這么實(shí)現(xiàn)的：

 口腔觸控反饋系統(tǒng)解讀 

團(tuán)隊(duì)人員在一個(gè)PCB中安置了64顆超聲波傳感器，這些傳感器統(tǒng)一傾斜45°朝向嘴部。PCB由帶狀電纜連接到后面的驅(qū)動(dòng)板上，連接電腦進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

最后，團(tuán)隊(duì)人員再把超聲波組件粘在Quest 2頭顯下方，整套系統(tǒng)便大功告成。

圖源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究論文

之所以超聲波能模擬觸覺，是因?yàn)槌暡▽?duì)外輻射能量，遇到手部等物體時(shí)會(huì)形成一個(gè)作用力，通過調(diào)整超聲波傳感器的工作方位以及強(qiáng)度，就能夠大致模擬出我們對(duì)于一個(gè)物品的觸覺感受。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

研究人員為這套系統(tǒng)開發(fā)了六種觸覺體驗(yàn)：聲學(xué)節(jié)點(diǎn)沿著嘴唇做X、Y軸運(yùn)動(dòng)，能夠模擬出物體經(jīng)過嘴巴時(shí)上下左右的滑動(dòng)效果；聲學(xué)節(jié)點(diǎn)做Z軸運(yùn)動(dòng)，模擬物體進(jìn)出口腔的效果。

圖源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究論文

另外通過瞬間脈沖，不規(guī)則脈沖以及持續(xù)撞擊這三種方式模擬出另外三種觸覺反饋。

圖源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究論文

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，研究人員開發(fā)了3個(gè)VR小游戲：《鬧鬼森林》、《學(xué)校模擬器》和《賽車游戲》。每個(gè)小游戲中，又包含了4個(gè)觸發(fā)嘴部觸覺信號(hào)的場(chǎng)景。

比如在《鬧鬼森林》中，玩家前進(jìn)時(shí)會(huì)被蜘蛛網(wǎng)黏住嘴巴，需要用手把蜘蛛網(wǎng)拉開（聲學(xué)節(jié)點(diǎn)做X軸滑動(dòng)模擬滑動(dòng)觸覺）；蜘蛛跳到臉上到處亂爬（超聲波發(fā)出不規(guī)則脈沖）；用槍射擊蜘蛛，蜘蛛爆炸產(chǎn)生的毒液噴到臉上（不規(guī)則脈沖）；頭上的蜘蛛滴落毒液，從嘴邊滑落（聲學(xué)節(jié)點(diǎn)做X軸滑動(dòng)）。

蜘蛛跳到嘴邊，圖源：Youtube

從演示視頻中可以看到，伴隨著蜘蛛跳到嘴巴上，用戶的反饋非常強(qiáng)烈。如果這項(xiàng)技術(shù)能在一些恐怖游戲中引入的話，可能恐怖指數(shù)會(huì)直接提升一檔。

另外在《學(xué)校模擬器》中，出現(xiàn)了喝水刷牙等場(chǎng)景：當(dāng)嘴唇碰到噴泉水流時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生快速的脈沖模擬水流撞擊嘴巴的感覺、在喝咖啡時(shí)，超聲波信號(hào)通過Z軸運(yùn)動(dòng)模擬液體流入口腔的感覺。

超聲波模擬喝水場(chǎng)景，圖源：Youtube

在《賽車游戲》中，玩家撞到箱子時(shí)，系統(tǒng)會(huì)釋放持續(xù)1000ms的脈沖信號(hào)模擬撞擊效果。

嘴巴撞到箱子，圖源：Youtube

當(dāng)時(shí)研究人員邀請(qǐng)了11位志愿者參與了這三款游戲體驗(yàn)，總體來看效果非常不錯(cuò)，不少志愿者反饋，觸覺有助于處理用戶視野之外的事件：“沒有觸覺，很難清楚什么時(shí)候東西會(huì)接觸到臉部......我甚至不知道香煙什么時(shí)候在我嘴里。”

當(dāng)然，由于系統(tǒng)的精度不夠（這也是目前超聲波觸覺方案的一大問題），有一些人對(duì)于觸覺的表現(xiàn)并不滿意：“感覺本身并不一定符合我的期望，例如，飛濺的濕氣不能僅通過振動(dòng)觸覺驅(qū)動(dòng)進(jìn)行真實(shí)模擬。”

最后，研究人員基于志愿者的反饋?zhàn)隽艘环堇羁颂仄叻至勘?，從表格中可以看到，相較于沒有反饋，加入超聲波模擬系統(tǒng)之后用戶體驗(yàn)得到了極大的提高。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究論文

 體積小巧、功耗低 

但成本是一大問題 

目前比較常見的觸覺反饋方案，比如觸覺手套、力反饋機(jī)械臂等，這些設(shè)備主要用于模擬手部的觸覺反饋，而這個(gè)設(shè)備的作用對(duì)象是我們的嘴巴。

研究人員表示，嘴部的觸覺模擬其實(shí)是一個(gè)被我們忽略的方向。一項(xiàng)數(shù)據(jù)指出，臉部附近的器官比如嘴唇，它的觸覺靈敏度排行第二，僅次于指尖。另外，由于嘴巴這個(gè)區(qū)域離我們佩戴的頭顯很近，未來把系統(tǒng)組件集成到VR頭顯當(dāng)中相對(duì)來說也會(huì)比較容易。

圖源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究論文

此外，市面上也存在部分針對(duì)面部或者嘴部的觸覺反饋研究，不過它們由于體積太大，對(duì)于使用者而言極為不友好。

從下面一張圖你們也能看到，這些林林總總的觸覺反饋設(shè)備，體積實(shí)在是太大了，并且各種奇怪的機(jī)械結(jié)構(gòu)作用在臉上，使得它們看起來更像是一套高科技刑具。

 圖源：網(wǎng)絡(luò)

相比之下，卡耐基梅隆大學(xué)這套方案則更勝一籌。該組件尺寸為17.9x10.6x1.5cm，加入這套系統(tǒng)后，Quest 2頭顯厚度增加了16.5%。在重量方面，該系統(tǒng)重107g（未包含驅(qū)動(dòng)板質(zhì)量），占到Quest 2重量的15.8%。它的加入，不至于對(duì)頭顯造成太大的負(fù)擔(dān)。

研究團(tuán)隊(duì)最新推出的原型中，超聲波傳感器更換為MA40H1S-R傳感器，它的體積能夠進(jìn)一步被壓縮?？梢娝耆哂屑傻絍R頭顯內(nèi)部的潛力。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于視覺與觸覺同步問題，這套觸覺反饋系統(tǒng)也做了比較好的處理。研究人員發(fā)現(xiàn)，哪怕超聲相控陣的數(shù)據(jù)需要連接到電腦進(jìn)行處理，但最后發(fā)現(xiàn)它的數(shù)據(jù)處理仍舊比視覺渲染時(shí)間快了2ms（基本上可以認(rèn)為兩者是同步的）。

在功耗方面，論文中指出，使用時(shí)驅(qū)動(dòng)板和超聲相控陣的功率為2.71W，待機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)板的功率低至0.3W。如果以每30秒輸出1秒的觸覺反饋來計(jì)算，它的功耗僅為0.38Wh，而Quest 2的電池為14Wh，也就是說工作一小時(shí)，該模組僅僅消耗設(shè)備電量2.71%。

目前想要把這套方案引入VR頭顯當(dāng)中，可能最大的限制因素是價(jià)格。這套觸覺模擬系統(tǒng)中包含64個(gè)MA40S4S 40kHz 超聲波傳感器，我在某寶查了一下價(jià)格，發(fā)現(xiàn)該傳感器單顆價(jià)格在8元左右，綜合下來整套方案大約需要花費(fèi)600塊（估算值）。

至于花費(fèi)頭顯價(jià)格的四分之一體驗(yàn)嘴部觸覺反饋是否值得，這點(diǎn)就見仁見智了。

 觸覺反饋 

 科技巨頭的下一個(gè)必爭(zhēng)之地 

觸覺反饋技術(shù)，可劃分為觸感以及力反饋兩部分。所謂觸感，指的是與物體交互時(shí)的產(chǎn)生的震動(dòng)、摩擦或微變形等感覺，而力反饋指的是觸摸過程中發(fā)生的力學(xué)相互作用。

目前的民用VR設(shè)備，所能提供的只有觸覺反饋只有手柄震動(dòng)所產(chǎn)生的微薄的震動(dòng)，對(duì)于物體重量、紋理、剛度等信息的還原，又或者是其他力學(xué)交互，還屬于一片空白階段。

在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，我們的雙眼起到目標(biāo)的追蹤跟定位作用，然后通過雙手等肢體確認(rèn)并且實(shí)現(xiàn)與物體的交互。由于VR中觸覺反饋的缺失，使得我們?cè)谔摂M世界中需要時(shí)刻盯著物體反復(fù)確認(rèn)，工作效率很低。觸覺的加入，能大大減緩我們對(duì)于視覺的依賴。

此外，觸覺在VR培訓(xùn)教育等領(lǐng)域中，能夠加深我們的學(xué)習(xí)記憶，提高知識(shí)的存留率。

圖源：Haptx

目前，市面上已經(jīng)有一些全身觸覺設(shè)備出現(xiàn)，比如Teslasuit和bHaptics等，通過衣服內(nèi)置震動(dòng)觸覺電機(jī)，能夠在《VRCHAT》等游戲中模擬別人觸摸你的感覺。觸覺的引入，給VR游戲或者應(yīng)用帶來了更多新的玩法和可能性。

模擬射擊場(chǎng)景，觸覺套裝會(huì)帶來相應(yīng)反饋

圖源：網(wǎng)絡(luò)

雖說目前觸控反饋對(duì)于VR頭顯來說并不是剛需，但是它對(duì)于元宇宙的發(fā)展有著極其重要且不可替代的重要作用，很多科技巨頭都在這一領(lǐng)域進(jìn)行著技術(shù)布局。

Meta的人機(jī)交互團(tuán)隊(duì)劃分出了未來三個(gè)比較大的研究方向：AR眼鏡、肌電手環(huán)以及觸控手套。

Meta在去年11月展示了自家的觸覺原型手套。該手套采用了“氣體制動(dòng)器”的解決方案：傳感器捕捉用戶的手部姿勢(shì)，然后通過微流體芯片控制手套里面氣囊的充氣量，氣囊對(duì)于手指的壓力能夠模擬出物品的觸覺信息。

圖源：VR陀螺

當(dāng)然，有業(yè)內(nèi)人士指出，Meta這一副手套售價(jià)高達(dá)5000美元，距離大范圍民用還遙遙無期。

蘋果同樣是一家極為注重人機(jī)交互的公司，它在智能手機(jī)時(shí)代推出了很多優(yōu)秀的人機(jī)交互解決方案，比如3D Touch、Taptic Engine等等。

目前蘋果的VR產(chǎn)品尚未發(fā)布，但是它的VR手套研究最早可以追溯到2016年。上個(gè)月，美國(guó)專利商標(biāo)局公布了蘋果的一項(xiàng)專利申請(qǐng)，專利中展示了蘋果的一款集成SMI傳感器的手套，用戶在AR或者VR環(huán)境中使用該手套，可以感知物體的表面質(zhì)量。

圖源：patentlyapple

上個(gè)月，微軟也公布了自家VR觸覺反饋手套專利，專利指出，該手套可以檢測(cè)機(jī)械刺激，并提供壓力、震動(dòng)、皮膚拉伸等觸覺感受。未來，微軟VR手套將用于游戲、工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)療場(chǎng)景等多個(gè)領(lǐng)域。

觸覺反饋潛力并不小，Technavio 2021年分析報(bào)告指出，預(yù)計(jì) 2021 年至 2025 年間，觸覺市場(chǎng)將增長(zhǎng)158.4億美元。隨著觸覺反饋系統(tǒng)的小型化、輕量化以及售價(jià)的降低，未來勢(shì)必會(huì)讓VR設(shè)備的體驗(yàn)提升到一個(gè)新的層級(jí)。

引用：基于超聲相控陣的VR頭顯口腔觸覺研究

https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3491102.3501960