清華新聞網(wǎng)4月3日電 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)生成的三維虛擬環(huán)境，用戶(hù)通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)等與環(huán)境中的物體或場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)和互動(dòng)。虛擬觸覺(jué)在人體表面顯示壓力、切向力和振動(dòng)，從而允許用戶(hù)與虛擬物體交互，感受其軟硬、粗糙程度等特性，在沉浸式體驗(yàn)中扮演重要組成部分。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的觸覺(jué)顯示設(shè)備如果像素密度低，則會(huì)出現(xiàn)以下情況：在顯示連續(xù)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的壓力時(shí)，人們能夠明顯感受到觸覺(jué)像素此消彼長(zhǎng)的不連續(xù)感。然而，提高觸覺(jué)像素密度意味著需提升觸覺(jué)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的密度，即對(duì)其小型化具有更高的要求。這在很大程度上制約了觸覺(jué)像素密度的進(jìn)一步提升。
近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青課題組提出了連續(xù)骨架增強(qiáng)（Continuity reinforcement skeleton，CRS）的虛擬觸覺(jué)技術(shù)：在不增加觸覺(jué)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器密度的前提下，在觸覺(jué)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器表面設(shè)計(jì)一層插值結(jié)構(gòu)來(lái)提升壓力改變時(shí)表面形狀的連續(xù)性和一致性，從而增強(qiáng)虛擬觸覺(jué)顯示。
圖1.連續(xù)性增強(qiáng)骨架的結(jié)構(gòu)與觸覺(jué)顯示效果
梁是一種日常生活中十分常見(jiàn)的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其彎曲變形具有三階連續(xù)的特點(diǎn)。課題組利用梁結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)，建立了評(píng)估觸覺(jué)連續(xù)性的理論和骨架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸覺(jué)像素間壓力信息的插值和動(dòng)態(tài)觸覺(jué)顯示連續(xù)性的增強(qiáng)。與基于像素的虛擬觸覺(jué)不同，該設(shè)計(jì)對(duì)像素間缺失的觸覺(jué)信息進(jìn)行插值，將集中于像素點(diǎn)處此消彼長(zhǎng)的壓力轉(zhuǎn)換為連續(xù)移動(dòng)的壓力，利用梁的彎曲變形特點(diǎn)在提供較高的局部支撐剛度的同時(shí)降低所需的額外驅(qū)動(dòng)力，克服了先前技術(shù)利用完整平面進(jìn)行觸覺(jué)信息插值的兩大不足，即對(duì)皮膚支撐力不足和對(duì)觸覺(jué)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器負(fù)載要求較高（圖1）。
課題組建立了連續(xù)性增強(qiáng)骨架與皮膚的接觸力學(xué)模型，提出了骨架不垮塌的判別條件。利用皮膚對(duì)梁產(chǎn)生的分布力近似正比于梁的隆起高度的條件，獲得了梁的材料和幾何參數(shù)正常工作區(qū)域相圖。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同硬度皮膚骨架所需的厚度等進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)（圖2）。
圖2.觸覺(jué)連續(xù)性增強(qiáng)骨架的力學(xué)模型
課題組還基于Unity開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將虛擬環(huán)境與觸覺(jué)顯示相融合，展示了未來(lái)用戶(hù)在虛擬空間中進(jìn)行觸覺(jué)交互的場(chǎng)景，運(yùn)行于Meta公司生產(chǎn)的Oculus Quest 2頭顯上。當(dāng)用戶(hù)在虛擬空間中和另一個(gè)虛擬人物接觸時(shí)，用戶(hù)手指尖處的坐標(biāo)會(huì)實(shí)時(shí)改變二維觸覺(jué)顯示器的表面形狀，從而模擬出類(lèi)似撫摸的連續(xù)觸感。該系統(tǒng)的組成部分和工作方式如圖3所示。
圖3.觸覺(jué)連續(xù)性增強(qiáng)骨架應(yīng)用展示
相關(guān)研究成果以“增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺(jué)的連續(xù)性骨架”（Enhancing Haptic Continuity in Virtual Reality using a Continuity Reinforcement Skeleton）為題，于3月27日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)航院教授陳常青為論文通訊作者，課題組2021級(jí)博士生王鑫源為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。
近年來(lái)，陳常青課題組在力學(xué)超材料領(lǐng)域取得了一系列成果，包括可重編程機(jī)械邏輯超材料、類(lèi)腦機(jī)械計(jì)算和具有信息編碼和存儲(chǔ)等能力的智慧型/認(rèn)知型力學(xué)超材料。
論文連接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58318-z
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
