机器接管触觉——缸中之人还有多远(上)

本文来自 PingWest 品玩特约作者啸语,首发于他的同名微信公众号。“原创技术观察,写给万分之一的创新者”。

即使目前做不到缸中之脑,缸中之人也是很多公司努力实现的目标。

感觉连接人类意识与外部客观世界,人类的五大感觉是视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉。一些动物的感觉种类更多,比如蝙蝠可以通过超声波定位,一些鸟类可以感受地磁场。目前大部分虚拟现实设备都主要服务于视觉与听觉,本篇初步介绍触觉反馈的技术原理和实例。

触觉是接触、滑动、压觉等一系列机械刺激的总称,主要是由压力和牵引力作用于感受器而引起人的感受。我们如何衡量触觉的敏感程度呢?

在皮肤两点同时进行机械刺激,能分辨出两个点的最小距离叫做两点阈。人体不同部位的两点阈有很大的差别,背、大腿、上臂等部位的较大,约 60一70 毫米,面、舌尖、指尖、嘴唇等部位最小,只有数毫米,因此面向盲人的导盲设备主要依靠这几部分的触觉。

下面介绍一些常见的触觉反馈系统及其工作原理:

目前应用最广泛的振动式触觉反馈主要依靠振动针、振动音圈、压电晶体这三种,通过安放在操作者手指每指节下部的振动阵列,以一定的频率和振幅刺激操作者手指来模拟触觉。振动频率一般选择在人手指皮肤最为敏感的 250Hz。振动式触觉反馈手套主要用于减小远程手术的操作失误。该方案的不足之处是结构复杂,容易妨碍手指运动,并且噪音也较大。

美国海军医学研究室开发过触觉背心以帮助飞行员驾驶飞机,这种背心可以使飞行员仅凭身体的感觉了解飞机的姿态。此外,振动反馈背心还可以帮助出舱行走的宇航员保持自己的方位。

在本文提到的各种触觉反馈系统中,真正实现大规模应用的只有基于振动式或者是音圈电机式的触觉反馈系统,本系列上一篇《机器接管触觉,苹果 Taptic Engine 首次科普》所介绍的苹果振动反馈相控阵可以说达到了振动反馈阵列的极致。

Dexta Robotics 公司在 Kickstarter 上众筹(目前已取消众筹)的廉价手部动作捕捉装置 Dexmo,在作为计算机的输入装置同时,也可以作为触觉输出装置,但是本质上只能模拟压力感,而无法反馈振动感,也就因此无法实现摩擦感。

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模拟触觉反馈的第二种方法是气动,具体主要有喷气式,气囊式,气环式三种。其中气囊式是将可充气的气囊放在手指每指节的下部,充气增压便可产生压感。气环式与气囊式类似,换成了套在操作者手指上的可膨胀充气环。这种方式的主要缺点是气囊的体积较大,因此触觉感受不精确。此外,该方式还存在结构复杂、气动器件成本较高等缺点。

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一群来自 Rice 大学的学生正在开发气囊式触觉反馈手套 Hands Omni,由虚拟现实全向跑步机生产商 Virtuix 提供赞助。

喷气式顾名思义,是利用微型空气喷嘴,对操作者特定部位射出空气流以产生接触感。迪斯尼研究中心的 AIREAL 是比较著名的喷气式反馈装置,在腾讯 2014 WE 大会上,Lumenous Co. 联合创始人兼 CEO Rajinder Sodhi 对其进行了介绍:AIREAL 的喷嘴可以喷出甜甜圈形状的低压气流漩涡,在旋转飞行一定距离的情况下仍然可以保持形状和速度。

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用户不需要穿戴任何设备就可以体验动态变化的物品质感、纹理,通过气流震动节奏的调节模拟流水、沙石的质感。在演讲中介绍的应用案例包括了在足球游戏中让手感觉到了足球的冲击,以及与投影仪配合,让人感受到蝴蝶在手上停留。多台 AIREAL 组成方阵可以模拟出群鸟在身边飞舞的效果。 Rajinder Sodhi 也透露他们正在和 Facebook 旗下的著名虚拟现实技术公司 Oculus 进行密切合作。

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