【科技前沿】

用“折纸”技艺实现触觉感知

【资料图】

我科学家在虚拟现实交互领域取得重要突破

光明日报记者 晋浩天 光明日报通讯员 徐珊

提起元宇宙，大家最直观的感知，或许还是一个只能在视觉上模拟真实世界的VR眼镜。但让人没想到的是，古老的东方手工技艺“折纸”，率先实现了从虚拟到真实的关键突破。西湖大学姜汉卿团队在国际上首次提出并开发了“高保真主动机械触感交互系统”，为元宇宙带来了全新的触觉感知维度。这项研究成果日前发表于《自然-机器智能》。

借鉴“折纸”艺术，让VR眼镜里的虚拟世界不仅可见、可听，还可“触摸”。这一切，是怎么发生的？

“触”不可及的失真“宇宙”

当前的VR交互，仅可提供视觉与听觉体验，呈现的是一个仅可远观、却无法触碰的虚拟空间。研究者们曾经尝试过很多种“解决”方案，大多是通过震动或压力代偿创造“被动触感”：例如具有振动功能的手柄，以及触觉感知手套等。然而，这些“触感”就如同你的手机忽然振动了一下，或者是坐在4D电影院里突然感受到座椅的晃动，你的体感都是由设备发出、给予你一种被动的交互体验，距离日常生活中真实的、由人类主动触发的“触觉”差距甚远。

这似乎也呼应了人类在触觉理解上的艰难进度条——2021年，美国生理学家戴维·朱利叶斯与亚美尼亚裔美国神经科学家阿德姆·帕塔普蒂安因揭开了触觉的神秘面纱，获得了诺贝尔生理学或医学奖——而听觉与视觉，早在20世纪60年代就已揭秘，问鼎诺奖。

撬动VR世界的星辰大海

那么，最前沿的VR和元宇宙，怎么会因为传统的折纸艺术而破局？

姜汉卿2021年加盟西湖大学后，最早启动的课题之一就是柔性电子与软/硬异质性材料研究，他首次将“折纸机械超材料”概念带入大众视野。所谓“机械超材料”，是指并非自然形成，而是人为构造的材料结构，材料的性能不依赖于分子结构或者晶体结构本身，主要依赖于其精巧构型里的结构细节。

从事“折纸研究”十年之久，又感知到了元宇宙的蓬勃发展，姜汉卿萌生了把两者结合起来的念头。“折纸材料可能很软，但是依赖于不同折叠方式，折纸结构又会变得很硬，基于折纸结构的机器人，就可以随时调节软硬程度。”

摆脱当前虚拟现实交互的固有思维定势，姜汉卿创造了“主动触觉”这个新概念——不同于肩、胸、腰、背等人类身体通常接收“被动触觉”的部位，人的手和脚通常是主动出击，通过主动触摸去感知物理世界。研究团队选择从“机械触感”入手，模拟手和脚主动触摸物体时的感觉。

研究团队研发了一套“高保真主动机械触感交互系统”，利用不同材质、不同尺寸的折纸模块搭建了两种不同维度的交互装置：一种可引发局部触感的手持式装置，与一种可以产生全身体感的脚踏式装置。在使用手持式交互装置时，用户可通过主动抓握，体验其所交互的不同物品的软硬程度；在使用脚踏式装置时，用户则可通过主动踩踏，以全身运动的形式体验其所处的环境地面特性。

这种主动机械触感的实现，源于硬件设备内部曲面折纸结构在交互过程中，由用户主动触发的被动变形——在电机的配合作用下，曲面折纸能弯曲成不同的角度，也会产生不同大小的反力，从而给予用户手足不同的“弹性”反馈。

向虚拟世界伸出精妙之“手”

如果说，这项研究中最大的创意来自“折纸”，那么，实现创意的最大挑战就来自“怎么折”——既能完美实现主动触感，又能集成于有限空间。就像现实世界的折纸一样，人人都会，但只有那心灵手巧的艺人，才能展现其精妙之处。

在姜汉卿实验室，有一个“手持式装置”——形状像一个球，5个位点对应人的5个手指，每一个位点下面就是呈现“X”形状交叉两片成组的曲线折纸塑料片；10个塑料片，全靠一个电机带动，以扭转成各种不同角度，形成不同的“软硬度”。与之配套的脚踏式装置，原理一样，差别在于踏板下是钢片，数量更多、矩阵排布，通过拉绳方式改变曲线折纸的角度以改变刚度。

这些设备里没有任何昂贵或罕见的器件。无论是“手球”里的塑料片，还是“踏板”中的钢片，均为网购，可以被替换为任何有弹性的材料。核心器件就是可以根据虚拟场景而相应变化的曲线折纸。如果核心结构一致，交互的硬件设备也可以放大或缩小。这意味着一旦找到合适的应用场景，它将有望快速进入生产市场。

研究的最后一步，团队进行了人体感受表征验证，包括“主观”的用户调查和“客观”的肌电图、心率测量。这一表征验证详细记录了体验者在虚拟冰面破裂时，心跳急速变快的真实生理反应。那一刻踏板突然塌陷，让人瞬间产生踏空坠落的恐惧感。虚拟世界，就这样创造出了真实世界的完美触感。

姜汉卿团队的这项研究，为虚拟现实交互提供了全新的模式与体验，为超材料在元宇宙中的进一步集成提供了指导方案，也有望拓展虚拟现实技术在娱乐、遥操作、医疗诊治与康复等领域的广泛应用。

接下来，研究团队将继续找到多模式的感知，还原更完整的触觉，在形态上，他们正在尝试和柔性电子整合，实现主动触觉与被动触觉的结合，以及努力用折纸实现更大尺度体验，在更大场景实现交互。“比如在游戏中要骑摩托车，能不能直接从地面‘长出’可以触摸到的摩托车来……”姜汉卿说。

《光明日报》（ 2023年06月05日 04版）