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元宇宙可以提供一個(gè)融合數(shù)字和物理現(xiàn)實(shí)的沉浸式環(huán)境。然而，這將需要適當(dāng)?shù)挠|覺反饋和可穿戴技術(shù)。12月20日，新加坡國立大學(xué)(National University of Singapore) Jiaming Qi，Joo Chuan Yeo Chwee Teck Lim等，在Nature Electronics上發(fā)表綜述文章，探索了觸覺和可穿戴技術(shù)的研究發(fā)展，這些技術(shù)可以用來彌合數(shù)字-物理鴻溝，并建立更加真實(shí)和身臨其境的虛擬實(shí)境。

該綜述文章包括觸覺技術(shù)的機(jī)制及可以復(fù)制觸覺的觸覺設(shè)備，可以通過集成人工智能提供運(yùn)動(dòng)跟蹤的可穿戴技術(shù)的發(fā)展。重點(diǎn)介紹了此類技術(shù)在娛樂、商業(yè)、教育、培訓(xùn)和醫(yī)療保健領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。最后，討論了該領(lǐng)域面臨的道德和技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖1 虛擬世界-數(shù)字世界-物理世界之間的交互

在虛擬-數(shù)字-物理世界之間，需要依靠各種傳感器、制動(dòng)器、XR設(shè)備、WIFI傳輸、動(dòng)作捕捉以及觸覺等。每一個(gè)世界的特征信息都依靠這些機(jī)制進(jìn)行互相傳輸、解析與表達(dá)。觸覺是其中的重要部分。

圖2 觸覺和傳感技術(shù)發(fā)展的時(shí)間表

自1969年Tactile image到2024年各種不同特點(diǎn)、不同策略重建與表達(dá)觸覺的器件與系統(tǒng)出現(xiàn)，觸覺和傳感技術(shù)走過了55年時(shí)間。

圖3 觸覺和可穿戴傳感技術(shù)

電磁平臺(tái)：如線性諧振和偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量執(zhí)行器用于振動(dòng)反饋，電磁電機(jī)可提供多種觸覺刺激，響應(yīng)快且力和位置控制精確，但體積大、功耗高。

氣動(dòng)平臺(tái)：利用空氣泵和閥門調(diào)節(jié)氣壓產(chǎn)生觸覺刺激，末端執(zhí)行器柔軟、輕便、高分辨率，適用于可穿戴設(shè)備，但體積和噪音問題限制了其便攜性。

超聲平臺(tái)：通過調(diào)制超聲換能器陣列產(chǎn)生可感知的焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)非接觸式觸覺反饋，不影響皮膚自然觸感，但感知強(qiáng)度和范圍受能量衰減限制。

機(jī)電平臺(tái)：如壓電、介電彈性體和靜電執(zhí)行器，能提供快速可逆的變形刺激，產(chǎn)生觸覺反饋，末端執(zhí)行器輕巧緊湊，但高工作電壓存在安全隱患且驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備小型化困難。

電動(dòng)平臺(tái)：基于電滲泵原理，通過電場驅(qū)動(dòng)離子流體形成微泵，可提供高分辨率的觸覺刺激，體積小、響應(yīng)快，但產(chǎn)生的力反饋有限。

形狀記憶合金平臺(tái)：形狀記憶合金在溫度變化時(shí)可恢復(fù)形狀，適用于可穿戴設(shè)備的觸覺反饋，靈活性高、無噪音、重量輕，但冷卻延遲限制了其應(yīng)用場景。

電刺激平臺(tái)：通過皮膚電極直接刺激機(jī)械感受器，可實(shí)現(xiàn)壓力到振動(dòng)的感覺轉(zhuǎn)變，但需精確校準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)參數(shù)以避免不適。

熱反饋平臺(tái)：包括焦耳熱、珀?duì)柼骷土黧w熱傳遞等方法，用于提供溫暖或寒冷的感覺，但現(xiàn)有技術(shù)存在剛性、體積大或延遲等問題。

圖4 虛擬世界中，觸覺和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用

觸覺和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用包括在社交媒體的交流中增加觸覺交互，拓展原有視頻語音交流的信息維度；在織物紋理渲染方面，可通過觸覺將織物紋理數(shù)字化并通過觸覺信息進(jìn)行表達(dá)；觸覺裝置結(jié)合VR設(shè)備可用于示教及教學(xué)，提高學(xué)習(xí)效率，縮短培訓(xùn)時(shí)間；在人體運(yùn)動(dòng)方面，觸覺和可穿戴設(shè)備的結(jié)合可以引導(dǎo)參與者完成特定動(dòng)作，這包括一些正在康復(fù)周期的患者進(jìn)行使用；結(jié)合VR的醫(yī)學(xué)訓(xùn)練可以為初學(xué)者創(chuàng)造身臨其境的環(huán)境，大大加快培訓(xùn)速度；VR+觸覺設(shè)備在手術(shù)中的應(yīng)用顛覆了傳統(tǒng)手術(shù)室，當(dāng)醫(yī)生可以“透視”患者時(shí)，病灶的定位及手術(shù)規(guī)劃便變得簡單。

表1  觸覺設(shè)備及其在物理-數(shù)字世界之間的應(yīng)用

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https://doi.org/10.1038/s41928-024-01325-7