觸覺技術研究對虛擬現(xiàn)實的重要性

【摘 要】觸覺技術的研究目前正處于上升階段，其對虛擬現(xiàn)實的影響已越來越受到重視，相關的研究成果也開始逐漸試水。文章旨在引起人們對觸覺技術的更多關注與探討，強調了觸覺技術對虛擬現(xiàn)實的重要性，介紹了前沿的技術研究方向和成果，展望了其未來應用的前景。

【關鍵詞】觸覺技術；觸覺交互；虛擬現(xiàn)實

隨著科技日新月異地發(fā)展，我們的生活也發(fā)生了翻天覆地的變化。其中最顯著的變化就是，我們已經(jīng)越來越離不開“虛擬世界”，例如虛擬社交、虛擬教學、虛擬游戲等等。而讓“虛擬世界”如此引人入勝的法寶就是“虛擬現(xiàn)實”。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality），即采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍內虛擬的環(huán)境。目前，視聽技術的卓越發(fā)展可達以假亂真的地步，人們在體驗虛擬現(xiàn)實時，往往被視聽技術編織的幻境所震撼，幾乎分不清真實與虛擬，然而也僅僅是“幾乎”，人們一旦真要“觸及”虛擬現(xiàn)實的幻境，那么西洋鏡就被戳破，讓人瞬間辨別真實與虛擬的差異。觸覺為何如此厲害？因為它是人類認知世界最重要的方式。

“任何一個機體那些感官的發(fā)展都從感覺，即觸覺開始”德國醫(yī)師卡魯斯如是說，“只有機體自身進化完善，才能出現(xiàn)更微妙的聽覺和視覺。幾乎與此相同，人類的藝術也是從雕塑開始的，人們塑造的東西，必須是成塊的、固體的、可觸摸的”。據(jù)此，加拿大學者威廉·維斯在討論電影空間形式時猜測道：“關于我們所見之物視為空間關系、形狀、大小、穩(wěn)固度以及組織機理等方面的數(shù)據(jù)，可能都來自觸覺?！睋Q句話說，觸覺是人類空間感知的基礎，我們往往也習慣把觸覺作為視覺、聽覺、嗅覺等人體五感的核心——即使五感根本屬于同一類性質。沒有觸覺體驗或者說體驗不夠，會讓人對空間感知不到位，這對于致力于打造逼真虛擬世界的新媒體技術如同套上桎梏。也就是說，觸覺技術是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實“逼真”的重要環(huán)節(jié)。

目前，人們已漸漸明白觸覺對于虛擬現(xiàn)實的重要性，一些走在技術尖端的企業(yè)和機構早具有前瞻性地開展觸覺技術方面的研究。這些研究大致可分為兩類：一個是致力于身體感官的觸覺研究，一個聚焦手部的觸覺研究。前者現(xiàn)階段更多的是嘗試性研究，比如麻省理工大學目前正研發(fā)的一個可穿戴式設備，是基于一種觸覺莫爾斯代碼的數(shù)據(jù)傳輸原理，用以實現(xiàn)不睜開眼就能檢查電子郵件和圖像信息的功能。而索尼公司研發(fā)的智能假發(fā)，則可通過與智能手機相連，將觸覺反饋以震動的形式發(fā)送到用戶的頭部，還可通過用戶頭部運動來控制演講用的激光指示器和遙控器，從而實現(xiàn)觸覺交互。來自印度的Ducere技術公司近期推出了名為Lechal的導航鞋和鞋墊，這兩種產品在和手機進行配對后能通過觸覺反饋來告知用戶正確的行進方向。

相對于前者的嘗試性研究，聚焦手部觸覺的研究則更為深入和廣泛。例如Senseg公司開發(fā)的觸覺反饋技術，其因為能夠準確模擬紡織品的表面質感，被美國《時代》雜志評為2011年度五十大最佳發(fā)明之一。Senseg的觸感反饋技術并不會改變設備顯示屏的物理結構，它的原理是向使用者發(fā)射身體難以察覺的電信號，進而在皮膚周圍形成一個震蕩靜電場。當用戶接觸顯示屏時，靜電能夠調節(jié)手指與顯示屏間的摩擦，進而使用戶產生仿佛真實一般的紋理感受。無獨有偶，一款由迪士尼開發(fā)的名為REVEL的顯示設備技術原理與Senseg頗為相似。當用戶用手劃過在REVEL時，表面上看只是手與光滑的玻璃屏幕在發(fā)生接觸，然而用戶體驗到的卻是在撫摸諸如木制品、墻面、鵝卵石等。此外，2009年時微軟也曾經(jīng)申請過一項關于“觸覺”的專利——感光形狀記憶聚合物顯示屏。與Senseg的原理剛好相反，微軟的技術恰恰是通過改變觸摸屏的物理特性從而使用戶感受到與真實情景相同的效果。據(jù)悉，微軟使用了一種具有感光和記憶特性的聚合物涂層，在不同波長的紫外線照射下，這層涂層會變硬突起或者變軟重新歸于平整。2012年6月，一家名叫Tactus的公司將微軟專利中描繪的情景變?yōu)榱爽F(xiàn)實：根據(jù)Tactus展示的原型機產品，當用戶需要調用鍵盤時，原先平整光滑的觸摸屏會發(fā)生神奇的變形，鍵盤的每個按鍵都會對應一個圓形的突起，瞬間一塊物理鍵盤就出現(xiàn)了，使用完畢后，觸摸屏又會還原成 為原來平整的狀態(tài)。

如上所述，觸覺技術方面的研發(fā)雖然還比不上視聽技術的豐富與成熟，但也積累了不少技術成果，并已逐步在實踐中開展應用。比如在醫(yī)學方面，Boston Dynamics公司正在商品化有觸覺界面的外科手術仿真系統(tǒng)，可以用來做膝關節(jié)內窺鏡檢查、吻合術和處理肢體外傷等。這套系統(tǒng)包括兩個Phantom觸覺界面（即實現(xiàn)了點接觸力的傳遞，可用來產生指尖與各種物體交互感覺的觸覺界面）、一臺運行仿真程序的微機和用來顯示圖像的圖形工作站。實習生使用該系統(tǒng)進行仿真的手術時，能體驗到切割和縫合組織的真實感覺。國內也有科研人員將觸覺交互技術用于醫(yī)療領域。如浙江大學生物醫(yī)學工程研究所的張力峰等成功地將觸覺交互引入虛擬心臟的醫(yī)學前沿領域的研究。通過觸覺交互，虛擬心臟從形態(tài)、結構和功能等方面更加逼真的再現(xiàn)人體心臟的活動過程。利用虛擬現(xiàn)實和觸覺交互技術，醫(yī)生在虛擬心臟上的手術過程可以通過計算機網(wǎng)絡傳輸給異地的機器人或醫(yī)生，進行遙控外科手術和顯微外科手術。

2008年，Immersion公司將其CyberGrasp系列的數(shù)據(jù)手套引入中國。CyberGrasp是一款設計輕巧而且有力反饋功能裝置，像盔甲一般地附在數(shù)據(jù)手套上。使用者可以通過CyberGrasp的力反饋系統(tǒng)去觸摸電腦內所呈現(xiàn)的3D虛擬影像，感覺就像觸碰到真實的東西一樣。使用者手部用力時，力量會通過外骨骼傳導至與指尖相連的肌腱。一共有五個驅動器，每根手指一個，分別進行單獨設置，可以避免使用者手指觸摸不到虛擬物體或對虛擬物體造成損壞。CyberGrasp系統(tǒng)可使手部在整個運動范圍內運動，但并不妨礙佩戴者的動作。數(shù)據(jù)手套還充分考慮到了人性化，是完全可調的，可適應各種各樣的手。目前CyberGrasp系統(tǒng)為虛擬現(xiàn)實的應用帶來了巨大的利益，包括醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實培訓和仿真、計算機輔助設計和危險物料的遙控操作。

如上所述，目前還未成熟的觸覺技術在虛擬現(xiàn)實領域的應用效果就十分顯著。由此可見，隨著技術的不斷發(fā)展，觸覺在虛擬現(xiàn)實中的作用將日益顯著，應用范圍也勢必擴大，對人們未來生活的影響也會產生巨大的變化。例如，一些特定行業(yè)的人才培訓和考核方式的變革。比如醫(yī)護行業(yè)，在實習醫(yī)師護士正式從業(yè)操作前，可進行仿真手術模擬考核、仿真救護考核，完全模擬真實的病人手術、急救環(huán)境，被考核者手執(zhí)“手術刀”，手術刀帶智能觸覺系統(tǒng)，被考核者根據(jù)手術刀與病人“肌膚”的接觸反饋控制力度進行手術，力度掌控、切合部位、縫合傷口等操作數(shù)據(jù)傳輸至電腦中，為被考核者進行評分，鑒定其是否可以上崗或晉升。除了醫(yī)護行業(yè)外，特警訓練、駕駛員培訓、中醫(yī)針灸按摩等等領域都可引入。這種仿真系統(tǒng)考核可以大大提升人才選拔的精度，而通過仿真考核后再進行實戰(zhàn)考核，將比直接實戰(zhàn)考核大大降低風險，同時還在一定程度上避免了資源浪費。

另外，在計算機輔助設計領域（CAD）觸覺交互技術也會成為必不可少的助力。在汽車和航天制造業(yè)領域，從業(yè)者往往要耗費大量的金錢和時間制造各種物理模型，進行評測產品的造型、性能和部件的易裝配性。這些功能很大程度上依賴于觸覺。未來一旦集成了觸覺功能的計算機輔助設計系統(tǒng)投入應用，那就可以減少部分物理模型的需求，極有效地提高生產效率，降低設計成本。

此外，視、聽、觸三位一體的虛擬現(xiàn)實還將革命性地顛覆人們娛樂方式。比如看電影，現(xiàn)在人們是坐在影院里、電視前、電腦前觀看電影，而將來人們將變“看”電影為“演”電影：戴上全息影像頭盔，在有智能觸覺系統(tǒng)的裝置上，如同置身于電影中，你隨時在主角、配角、導演、攝像間切換，電影里角色對話就如同你與現(xiàn)實對話一般，你與角色合二為一，感同身受?！翱础蓖觌娪?，如同親身經(jīng)歷一般刻骨銘心。再比如游戲，加入觸覺技術的全真體驗式游戲可玩度又大大提升。玩家將完全置身于游戲設定的場景之中，觸覺的“提醒”實時告訴大腦“現(xiàn)實的存在”。像賽車類游戲，玩家不用再拿著鼠標鍵盤控制賽車，而是用手中“真實”的方向盤“操控”賽車，一切都如真正的駕駛員一樣。過程中撞擊到障礙物，猛提速帶來的慣性改變等觸覺信號都會通過游戲頭盔或者其他與玩家接觸的裝置傳達給玩家，讓玩家體會到真實駕駛的樂趣。

除了上述說的這些，其他的如網(wǎng)購衣物的試穿、雕塑手工藝品的樣品創(chuàng)作、體驗式旅游等領域都可以引入這種虛擬現(xiàn)實。這種融入了觸覺技術的虛擬現(xiàn)實將對人們的生活方式、品質產生巨大的影響，也將使人們對虛擬與現(xiàn)實間的界限越發(fā)模糊。但不管怎樣，觸覺技術的發(fā)展已經(jīng)勢不可擋，至于未來是否像期待的那樣完滿，我們將拭目以待。

作者簡介：

郭璐（1983—），女，北京人，工作單位：北京澤龍?zhí)煊羁萍加邢薰?，職務：?jīng)理。