帶你瞭解日本VR:空中超聲波觸覺技術

本文根據對日本東京大學研究生部新領域創成科學研究科篠田裕之教授的采訪文章整理而成,部分文字和圖片資料由東京大學篠田・牧野研究室提供。

日本VR觸覺技術的發展史

日本對VR觸覺技術的研究從1980年左右開始,起初是針對機器人和流水線作業等應用進行研究,1984年開始進入電視屏幕的觸控技術領域,1990年則真正開始瞭虛擬物體(VR虛擬現實)與真實物體碰撞反饋的研究,2000年左右則可以通過小型震動裝置實現真實的觸感反饋,這一技術之後也應用到智能手機,也就是我們現在常用的震動模式。在空氣觸覺方面的研究則是由東京大學篠田裕之教授團隊從2007年左右開始進行,未來可以應用到VR設備的輔助、醫學保健、機器人技術等領域,並且也可以大大改善現有的智能手機操作。

什麼是“空中超聲波觸覺技術”?

超聲波振子從格狀多位排列的超聲波換能器中發出,以空中任意位置的超聲波振子為焦點相結合,形成超聲波,產生瞭被稱為回聲放射壓的壓力。如果用人類手指在此位置表面進行按壓,就能產生觸覺刺激。“空中超聲波觸覺”就是利用此現象,在VR虛擬現實中增加觸覺而產生的。

為何能在虛無的空間中產生觸感?

也許與影像和音響中豐富的表現出虛構的臨場感和現實感的技術是一樣的。利用VR(假想現實)和AR(擴張現實)技術表現出無人見過的場景。想要接觸這種假想物體的沖動屢次三番的驅使著我們。可是,這個願望時至今日依舊沒有實現。

實現此想法的技術就是空中超聲波觸覺界面。話雖如此,卻不可能真切的感受到物體的固體形狀。但是,實際上一旦按壓浮現在空中的影像圖標,就可以感受到傳遞給手指的按壓觸感。

開發這個技術的是東京大學研究生部開創新領域科學研究科的篠田裕之教授團隊。篠田教授團隊利用迄今為止的超聲波技術制作瞭各種各樣的觸覺表現技術。例如,2014年披露的樣品《空中觸覺觸摸屏》(其他大學研究室也有類似展示、如名古屋工業大學等)。這是隻要觸碰漂浮在中空箱子裡的圖標,就可在手指上產生按壓觸感的系統。

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空中觸覺觸摸屏

可以應用此技術的領域眾多,例如,可以將其應用在手術室和食品加工廠等,避免臟手觸碰到其他物品的場所。還有,如果在門鎖開關是使用鍵盤輸入的情況下,可以做到沒有指紋殘留從而提高安全性。

很早就有利用光學結構在空中制造出立體影像的技術,也嘗試著使用利用影像傳感器感知手指活動的相同輸入界面,但是,手指和手掌沒有任何觸感,結果把立體影像漏過去瞭,這是操作方面的課題。觸感的獲得是絕對有益處的,可以通過正確的操作得到觸摸感覺。另外,如果在有圖標的地方和沒有圖標的地方觸感發生變化的話,可能需要進行正確操作的指導。

除這類實用性系統之外,也開發瞭可以應用在娛樂領域中,與影像同步產生觸感的實驗系統。例如,《觸覺放映機》。將壁虎奔跑的影像投射在放映機上,一旦人進入此影像中,就可以感覺到摸到瞭壁虎的皮膚。

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觸覺放映機

再介紹一個研究成果。下圖右側是真正的紙氣球,左側看到的是光學映射出的克隆紙氣球。一旦克隆紙氣球與另一個紙氣球相撞時,真正的紙氣球也會被撞飛。(當然克隆的紙氣球也一樣會被撞飛)。還有,一旦搖晃克隆紙氣球,真正的紙氣球也會跟著晃動。這個技術被稱為《視覺觸覺克隆》

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視覺觸覺克隆

利用同樣的技術,離開場所的人不僅可以互相看到對方的樣子,將手伸進裝置內還能感覺到與對方手指互相觸摸的感覺。(如下圖)

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視覺觸覺克隆使2個離開場所的人感覺到手指互相觸摸

空中超聲波觸感技術的原理是什麼?

產生這種觸感的就是在文章開頭提到的超聲波振子。將250個格狀排列的超聲波振子作為一個單元,個別控制每個超聲波振子發生的聲波位相。一旦以空中任意位置的超聲波振子為焦點相結合,就會產生被稱為回聲放射壓的壓力。用人的身體遮擋這個位置,皮膚就會有被按壓的感覺。平均1單元壓力分佈在1平方厘米,重1.6克。這是充分具備獲得觸覺的數值。另外,使用復數單元可產生大約10克重量的壓力。如果控制回聲放射壓使其與影像同步移動的話,應該就可以制造出觸覺放映機。

使超聲波震動波形發生變化,就可以控制各種各樣的觸感。可以產生類似於“碰撞輕的物品”、“蟲子黏黏糊糊的爬行”、“煙花爆發”等感覺。

空中觸覺觸摸屏在制作立體影像的光學結構中也是必不可少的。采用市面上出售的空中影像投影技術,為瞭使超聲波與空中影像的傳播軸相互重合,將超聲波反射在成像單元的表面。另外,影像傳感中手指觸摸的位置和時間,可以控制覆蓋在相應位置的回聲放射壓。

視覺觸覺克隆技術為瞭制作克隆影像,使用瞭采用特殊數字微鏡元件的雙向復制光線技術,此技術也應用於市面出售的裝置上。復制力學場是使用1992個超聲波振子,使其產生上下左右全方位的立體力。另外,通過使用紅外線深度傳感器,測量對象物體的形狀。

from:GAD VR

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