戴上触觉手套VR撸猫：感受猫毛粗糙度舌头倒刺，来自腾讯Robotics X&港城大

Posted 2022-10-07 QbitAl

丰色 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

工作忙没时间养、讨厌到处都是毛……又想撸猫解压？

或许未来元宇宙可以帮你实现这个愿望。

腾讯Robotics X实验室和香港城市大学发明了一种触觉“手套”，手掌和指间的传感器可以让你在用不同的速度和方向“抚摸”猫毛时感受到粗糙度的变化。

再配上VR，就可以实现虚拟撸猫了。

当你把手伸到“猫猫”的舌头面前，还能感受到上面的倒刺。

哇，尽管画面还稍显粗糙，但猫猫教看完已经有点心动这种新奇的体验了。

话说回来，这个触觉又是如何做到的？

薄到可以集成到手指套中的触觉制动器

现有触觉刺激技术可分为两类——机械刺激和电刺激。

机械刺激是通过机械致动器（actuator）在皮肤上施加局部机械力或震动，从而让人感受到触觉。

不过一般这种致动器体积都比较大，硬要把它集成到便携式或可穿戴设备中，就只能牺牲触觉分辨率。

相比之下，电触觉刺激器就没有这种烦恼，可以做到既轻便又灵活，同时提供更高的分辨率和更快速的响应。

但它又需要比较高的电压来穿透我们的皮肤外层以激活神经，所以安全性没法保障，电击带来的刺痛感也影响体验。

为了保证撸猫的真实感触，研究团队们选择在电刺激技术上加以改进，研发可以小到集成到手指套中的触觉致动器。

里面主要有两个技术创新：

一是可以把刺激电压降低到13V～28V的高频调制方法。
是的，与大多数电触觉致动器靠高压直流 (DC) 脉冲来穿透高阻抗角质层（皮肤最外层）不同，该研究团队在这里选择了高频交流电 (AC) 。

如下图所示，由于人体皮肤每一层的电阻抗可以建模为并联的电阻和电容，因此高频交流电可以穿透人体皮肤并刺激触觉神经。

通过实验他们发现，增加交流电刺激的频率（从20kHz增加到10kHz）会让电流密度更高和、皮肤渗透更深，从而转化为更多神经的激活，呈现出更强的触觉。

同时，使用相同参数但具有180°相位差的两个AC电流进行刺激，也能进一步增强触觉感知。

具体表现上，低频和高压刺激最能模拟岩石和砂纸等粗糙纹理，而高频和低压刺激可以呈现丝绸和玻璃等光滑纹理。

最终，研究人员通过志愿者测试得到了最低13V的阈值电压和最高28V的耐受电压，以及15V~25V的舒适感知范围。

此外，有85%的受试者可以感知到刺激电压以最低0.5 V的步长变化，这就对应了至少20个强度区间，远高于早期研究中的4个。

第二个创新点是电流转向超高触觉分辨率技术，它可以让该触觉致动器的空间分辨率在无需额外硬件的同时提高四倍，达到76dots/cm2，接近于人类触觉感知。

并做到超过人类的4kHz快速刷新率，覆盖整个人类触觉强度范围。

具体就是通过利用电极阵列的高度可重构性在物理电极之间的位置执行刺激，从而实现超分辨率，如下图所示，小三角部分即为目标点。

隔着厚手套也能摸出直径1mm的小凸点

如图所示，研究人员给志愿者进行了“盲文测试”，他们可以通过这个触觉装置给出的笔划，猜出是什么字母/数字。

当然，“I”和“1”、“S”和“8”、“O”和“0”这类还是比较难识别出。

志愿者们还戴上了消防员手套来测试致动器的敏感度。

结果尽管隔着厚厚的一层，它也能让人成功摸到玻璃上的一个小凸点。

‍——而这个点直径居然只有1mm，厚度更是只有0.44mm。

最后，应用方面，这项技术除了用来撸猫还可以做很多事情。

比如虚拟购物，用来感受不同衣服的材质。

抑或是帮助宇航员和深海潜水员等恢复防护服之下的触觉感知。

在更遥远的未来，它还可在虚拟培训甚至5G远程手术等场景中派上用场。

团队介绍

目前该成果已入选Science Advances，由腾讯Robotics X实验室和港城大机械工程系共同完成，一作一共有3位。

论文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8738

参考链接：
https://www.cityu.edu.hk/mne/research-laboratories/research/mne-research-unpack/technology-could-let-you-cuddle-your-cat-virtual