【科技前沿】
用「摺紙」技藝實現觸覺感知
我科學家在虛擬實境交互領域取得重要突破
光明日報記者 晉浩天 光明日報通訊員 徐珊
提起元宇宙，大家最直觀的感知，或許還是一個只能在視覺上模擬真實世界的VR眼鏡。但讓人沒想到的是，古老的東方手工技藝「摺紙」，率先實現了從虛擬到真實的關鍵突破。西湖大學姜漢卿團隊在國際上首次提出並開發了「高保真主動機械觸感交互系統」，為元宇宙帶來了全新的觸覺感知維度。這項研究成果日前發表於《自然-機器智能》。
借鑑「摺紙」藝術，讓VR眼鏡里的虛擬世界不僅可見、可聽，還可「觸摸」。這一切，是怎麼發生的？
「觸」不可及的失真「宇宙」
當前的VR交互，僅可提供視覺與聽覺體驗，呈現的是一個僅可遠觀、卻無法觸碰的虛擬空間。研究者們曾經嘗試過很多種「解決」方案，大多是通過震動或壓力代償創造「被動觸感」：例如具有振動功能的手柄，以及觸覺感知手套等。然而，這些「觸感」就如同你的手機忽然振動了一下，或者是坐在4D電影院裡突然感受到座椅的晃動，你的體感都是由設備發出、給予你一種被動的交互體驗，距離日常生活中真實的、由人類主動觸發的「觸覺」差距甚遠。
這似乎也呼應了人類在觸覺理解上的艱難進度條——2021年，美國生理學家戴維·朱利葉斯與亞美尼亞裔美國神經科學家阿德姆·帕塔普蒂安因揭開了觸覺的神秘面紗，獲得了諾貝爾生理學或醫學獎——而聽覺與視覺，早在20世紀60年代就已揭秘，問鼎諾獎。
撬動VR世界的星辰大海
那麼，最前沿的VR和元宇宙，怎麼會因為傳統的摺紙藝術而破局？
姜漢卿2021年加盟西湖大學後，最早啟動的課題之一就是柔性電子與軟/硬異質性材料研究，他首次將「摺紙機械超材料」概念帶入大眾視野。所謂「機械超材料」，是指並非自然形成，而是人為構造的材料結構，材料的性能不依賴於分子結構或者晶體結構本身，主要依賴於其精巧構型里的結構細節。
從事「摺紙研究」十年之久，又感知到了元宇宙的蓬勃發展，姜漢卿萌生了把兩者結合起來的念頭。「摺紙材料可能很軟，但是依賴於不同摺疊方式，摺紙結構又會變得很硬，基於摺紙結構的機器人，就可以隨時調節軟硬程度。」
擺脫當前虛擬實境交互的固有思維定勢，姜漢卿創造了「主動觸覺」這個新概念——不同於肩、胸、腰、背等人類身體通常接收「被動觸覺」的部位，人的手和腳通常是主動出擊，通過主動觸摸去感知物理世界。研究團隊選擇從「機械觸感」入手，模擬手和腳主動觸摸物體時的感覺。
研究團隊研發了一套「高保真主動機械觸感交互系統」，利用不同材質、不同尺寸的摺紙模塊搭建了兩種不同維度的交互裝置：一種可引發局部觸感的手持式裝置，與一種可以產生全身體感的腳踏式裝置。在使用手持式交互裝置時，用戶可通過主動抓握，體驗其所交互的不同物品的軟硬程度；在使用腳踏式裝置時，用戶則可通過主動踩踏，以全身運動的形式體驗其所處的環境地面特性。
這種主動機械觸感的實現，源於硬體設備內部曲面摺紙結構在交互過程中，由用戶主動觸發的被動變形——在電機的配合作用下，曲面摺紙能彎曲成不同的角度，也會產生不同大小的反力，從而給予用戶手足不同的「彈性」反饋。
向虛擬世界伸出精妙之「手」
如果說，這項研究中最大的創意來自「摺紙」，那麼，實現創意的最大挑戰就來自「怎麼折」——既能完美實現主動觸感，又能集成於有限空間。就像現實世界的摺紙一樣，人人都會，但只有那心靈手巧的藝人，才能展現其精妙之處。
在姜漢卿實驗室，有一個「手持式裝置」——形狀像一個球，5個位點對應人的5個手指，每一個位點下面就是呈現「X」形狀交叉兩片成組的曲線摺紙塑料片；10個塑料片，全靠一個電機帶動，以扭轉成各種不同角度，形成不同的「軟硬度」。與之配套的腳踏式裝置，原理一樣，差別在於踏板下是鋼片，數量更多、矩陣排布，通過拉繩方式改變曲線摺紙的角度以改變剛度。
這些設備里沒有任何昂貴或罕見的器件。無論是「手球」里的塑料片，還是「踏板」中的鋼片，均為網購，可以被替換為任何有彈性的材料。核心器件就是可以根據虛擬場景而相應變化的曲線摺紙。如果核心結構一致，交互的硬體設備也可以放大或縮小。這意味著一旦找到合適的應用場景，它將有望快速進入生產市場。
研究的最後一步，團隊進行了人體感受表徵驗證，包括「主觀」的用戶調查和「客觀」的肌電圖、心率測量。這一表徵驗證詳細記錄了體驗者在虛擬冰面破裂時，心跳急速變快的真實生理反應。那一刻踏板突然塌陷，讓人瞬間產生踏空墜落的恐懼感。虛擬世界，就這樣創造出了真實世界的完美觸感。
姜漢卿團隊的這項研究，為虛擬實境交互提供了全新的模式與體驗，為超材料在元宇宙中的進一步集成提供了指導方案，也有望拓展虛擬實境技術在娛樂、遙操作、醫療診治與康復等領域的廣泛應用。
接下來，研究團隊將繼續找到多模式的感知，還原更完整的觸覺，在形態上，他們正在嘗試和柔性電子整合，實現主動觸覺與被動觸覺的結合，以及努力用摺紙實現更大尺度體驗，在更大場景實現交互。「比如在遊戲中要騎摩托車，能不能直接從地面『長出』可以觸摸到的摩托車來……」姜漢卿說。
《光明日報》（ 2023年06月05日04版）
來源： 光明網-《光明日報》