“表皮虚拟现实”让科技更人性化

想象一下和远在世界另一端的爱人手牵手。或者在网络游戏“Fortnite”中感觉到队友的轻拍。

美国西北大学(Northwestern University)的研究人员开发了一种新型轻薄的无线系统,可以为任何虚拟现实(VR)体验增加触觉体验。这个平台不仅有可能为我们的远距离关系和娱乐增加新的维度,该技术还为假肢提供感官反馈,并赋予远程医疗人性化的体验。

John Rogers约翰·a·罗杰斯

该设备被称为“表皮虚拟现实”系统,它通过一个快速可编程的微型振动执行器阵列,嵌入一种轻薄、柔软、有弹性的材料中,实现触觉交流。这种15厘米乘15厘米的薄板状原型舒适地贴合在皮肤的曲面上,没有笨重的电池和笨重的电线。

“人们在过去考虑过这个整体概念,但没有一个明确的基础,现实的技术与正确的一组特征或适当的形式的可扩展性。过去的设计涉及到执行器、电线、电池的手动组装,以及内外控制硬件的组合,”西北大学的生物电子学先驱约翰·a·罗杰斯(John a . Rogers)说。“我们利用我们在可拉伸电子和无线功率传输方面的知识,将包括微型化驱动器在内的一系列高级组件整合到一个先进的架构中,设计成一个皮肤界面的可穿戴设备,几乎没有给用户带来任何负担。”我们认为这是一个很好的起点,可以自然地扩展到整个系统和成百上千个离散的、可编程的执行器。”

Yonggang Huang黄勇刚

“我们正在扩展虚拟现实和增强现实的边界和能力,”西北大学的黄永刚说,他与罗杰斯共同领导了这项研究。“与眼睛和耳朵相比,皮肤是一个相对未开发的感官界面,可以显著增强体验。”

这项研究将于11月21日发表在《自然》杂志上。

它是如何工作的

罗杰斯和黄最先进的设备采用了32个单独可编程的毫米级执行器的分布式阵列,每个执行器在皮肤的相应位置产生离散的触觉。每一个致动器以每秒200次的频率产生最强烈的共振,此时皮肤表现出最大的灵敏度。

罗杰斯说:“我们可以通过图形用户界面实时快速地调整每个驱动器的频率和振幅。”“我们对设计进行了调整,以最大限度地感受传递到皮肤上的振动力。”

该补丁可以无线连接到触摸屏界面(在智能手机或平板电脑上)。当用户触摸触摸屏时,这种触摸模式会传递给补丁。例如,如果用户在触摸屏上画一个“X”图案,设备就会通过皮肤的振动界面产生一个“X”形状的感觉图案,同时且实时。

当你在不同的地点进行视频聊天时,你的朋友和家人可以互相联系,几乎可以互相触摸——时间延迟可以忽略不计,压力和模式可以通过触摸屏界面来控制。

“你可以想象,在可预见的未来,与家人视频通话时感知虚拟触摸可能会变得无处不在,”黄说。

执行机构嵌入到一个本质上柔软和略粘的有机硅聚合物粘在皮肤上,没有胶带或背带。无线和无电池,该设备通过近场通信(NFC)协议进行通信,与智能手机用于电子支付的技术相同。

你可以想象,在可预见的未来,与家人视频通话时感知虚拟触摸可能会变得无处不在。“黄永刚
工程师

罗杰斯说:“有了这种无线供电方案,我们完全不需要电池,因为它们的重量、尺寸、体积和有限的使用寿命。”“结果是一个轻薄的系统,可以无限制地佩戴和使用。”

老兵描述了感官反馈的重要性

每个人都可以想象这种技术如何与VR头戴设备相结合,创造出更具互动性和沉浸感的游戏或娱乐体验。但是对于美国陆军老兵Garrett Anderson来说,表皮虚拟现实技术可能为现实生活中的问题提供了一个急需的解决方案。

2005年10月15日凌晨4点,安德森在伊拉克战争中遭到伏击,右臂仅在肘部以下。

“一颗炸弹在我的卡车下面爆炸了,”安德森说。“整个引擎都被炸毁了。然后弹片穿过车厢,切断了我的胳膊,我的胳膊是用肌腱吊着的。”

安德森最近尝试了西北大学的系统,与他的义肢集成。当安徒生在上臂戴上这个贴片时,他可以感觉到他的义肢指尖传递到手臂的感觉。这种震动的强度或多或少取决于他握得多紧。

我需要知道我握拍的力度,这样我就不会伤害到什么东西或什么人。”加勒特·安德森,美国陆军6031号老兵

“比如说,我正在抓一个鸡蛋或一些易碎的东西,”安德森说。“如果我不能调整我的抓地力,那么我可能会把鸡蛋压碎。我需要知道我握的力度,这样我就不会伤害到什么东西或什么人。”

rogers vr web

“我的右臂从来没有感觉过它们”

随着截肢患者使用该设备,这种体验会变得更加无缝衔接。

罗杰斯解释说:“通过上臂的感觉输入,用户可以在假肢指尖感知触觉。”随着时间的推移,你的大脑会把你手臂上的感觉转换成指尖上的替代感觉。它增加了一个感官通道来重现触觉。”

安德森认为,这种装置可能会在某种程度上“欺骗”他的大脑,从而减轻幻肢疼痛。他还想象这能让他以一种新的方式与孩子们互动。

“我15年前失去了一只手臂,”他说。“我的两个孩子一个13岁,一个10岁,所以我从来没有用右手摸过他们。我不知道他们抓住我的右手是什么感觉。”

“起点”

罗杰斯将当前的设备视为一个起点。“这是我们第一次尝试这种类型的系统,”他说。“除了游戏和娱乐领域的明显机遇外,它在社交互动、临床医学和应用方面可能会非常强大,这是我们今天无法想象的。”

他和黄已经在努力使目前的设备更轻薄。他们还计划开发不同类型的驱动器,包括那些可以产生加热和拉伸感觉的驱动器。例如,通过热输入,一个人可能能够通过假肢指尖感知一杯咖啡有多热。

西北大学的研究小组认为,整个工程框架可以容纳数百个执行器,它们的尺寸比目前使用的执行器要小得多,目前使用的执行器直径为18毫米,厚度为2.5毫米。

最终,这种设备将变得足够薄,足够灵活,可以织进衣服里。戴了假肢的人可以穿上VR衬衫,通过指尖进行触觉交流。除了VR头盔,玩家还可以穿上全套VR套装,完全沉浸在奇幻的场景中。

“虚拟现实是一个非常重要的新兴技术领域,”罗杰斯说。“目前,我们只是用眼睛和耳朵作为体验的基础。在开发人体最大的器官——皮肤方面,这个群体的行动相对缓慢。我们的触觉提供了人与人之间最深刻、最深刻的情感联系。”

研究中,“整合无线虚拟和现实增强触觉接口,“主要是通过Bio-integrated电子中心的资助,作为Querrey辛普森生物电子学研究所的一部分,可能是由西北大学受托人路易斯·a·辛普森(96 P)和金伯利k . Querrey(20便士)。

研究人员信息

罗杰斯是西北大学麦考密克工程学院材料科学和生物医学工程的Louis Simpson和Kimberly Querrey教授,Feinberg医学院神经外科教授和Querrey Simpson生物电子学研究所所长。

黄是麦考密克的Walter P. Murphy土木与环境工程教授和机械工程教授。

曾任罗杰斯实验室博士后、现任香港城市大学助理教授的余新歌是这篇论文的第一作者。

主题:工程,创新,麦考密克工程学院,研究,技术

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2019/11/epidermal-vr-gives-technology-a-human-touch/