点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:【科技前沿】用“折纸”技艺实现触觉感知
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

【科技前沿】用“折纸”技艺实现触觉感知

来源:光明网-《光明日报》2023-06-05 04:05

  【科技前沿】

用“折纸”技艺实现触觉感知

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)

[ 责编:孙宗鹤 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 古蜀文物来京“出差”

  • 各地推动高质量发展观察

独家策划

推荐阅读
随着中国第42次南极考察队队员陈龙耀从东南极西福尔丘陵地区裸露的岩壁敲下第一块岩石样本,中山站度夏地质考察工作正式启动。
2026-01-21 09:08
这套“地震断层模拟试验装置”由中国工程院院士、中国地震局工程力学研究所名誉所长谢礼立领衔的团队历时4年攻关研制完成,已成功通过验收。
2026-01-21 09:02
长期以来,半导体面临一个难题:我们知道下一代材料的性能会更好,却往往不知道如何将它制造出来。这项材料工艺革新解决了从第三代到第四代半导体都面临的共性散热难题,为后续的性能爆发奠定了关键基础。
2026-01-21 09:01
该团队通过对比研究嫦娥六号月球背面样品与嫦娥五号月球正面样品,发现嫦娥六号样品中的碳结构具有更明显的缺陷特征,这可能与月球背面经历的更强烈的微陨石撞击历史有关。
2026-01-21 09:00
近日,在国新办举行的新闻发布会上,海关总署相关负责人介绍,2025年中国高技术产品出口增长13.2%,工业机器人出口增长48.7%,并首次超过进口,我国成为工业机器人净出口国。
2026-01-21 08:56
2025年C919安全载客超过400万人次,而且今年又新开了广州往返南京的航线。
2026-01-20 07:00
工业和信息化部、国家发展改革委等五部门日前联合印发《关于开展零碳工厂建设工作的指导意见》。
2026-01-20 03:25
工业和信息化部日前印发最新修订的《优质中小企业梯度培育管理办法》,将科技型中小企业纳入优质中小企业梯度培育范围。办法自2026年4月1日起实施。
2026-01-20 03:20
近日,工业和信息化部印发最新修订的《优质中小企业梯度培育管理办法》,扩大了培育基础,首次将科技型中小企业纳入梯度培育范围。
2026-01-20 09:03
中国科学技术大学马骋教授针对全固态锂电池在循环时因需要维持良好界面接触而过于依赖外部压力、难以实际应用的问题,提出了一种低成本、较为适合商业化的解决方案。
2026-01-20 09:02
离子注入机是半导体制造关键设备,尤其是高能氢离子注入机研发难度大、技术壁垒高,我国长期依赖进口。
2026-01-20 09:02
对于行业的未来,赵同阳充满期待:“人形机器人行业未来也会出现几家顶级企业,我希望提起机器人,人们首先想到的是中国。
2026-01-20 08:57
当日9时34分,神舟二十号飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。经现场检查确认,飞船返回舱外观总体正常,舱内下行物品状态良好,神舟二十号飞船返回任务取得圆满成功。
2026-01-19 11:36
血脑屏障横亘于血液与大脑之间,严格调控物质通行,将绝大多数药物拒之门外,这成为脑神经疾病新药研发面临的主要瓶颈之一。许多在实验室中表现优异的候选药物因无法有效透过血脑屏障,在临床试验阶段止步不前。
2026-01-19 03:10
随着国民健康意识的普遍觉醒与消费结构的深刻升级,以全谷物、豆类、薯类等为代表的杂粮,正悄然经历一场角色与意义的深刻变革。
2026-01-19 03:10
新年伊始,江苏无锡凯龙高科技股份有限公司的实验室内,一只机器人灵巧手在一个两米多高的透明检测设备中流畅地完成抓取、捏合、旋转等一连串精细动作,相关数据实时传出。这款具身智能机器人灵巧手全操作力智能检测平台于去年年底一经启动,便获得多张订单。
2026-01-19 03:10
日前,江苏徐圩核能供热发电厂1号机组核岛开始混凝土浇筑,标志着全球首个核能与石化产业大规模耦合项目进入主体工程建设阶段。这是今年我国开工建设的首台核电机组。
2026-01-19 03:10
为破解这一谜题,利用“中国天眼”的超高灵敏度优势,研究团队对重复快速射电暴FRB 20220529开展了2年多的持续监测。
2026-01-19 09:10
目前,依托DrugCLIP,团队完成了覆盖约1万个蛋白靶点、2万个蛋白口袋的虚拟筛选项目,分析筛选超过5亿个类药小分子,富集出超过200万个潜在活性分子,构建了目前已知最大规模的蛋白—配体筛选数据库。
2026-01-19 09:08
从中国地质调查局获悉,由该局广州海洋地质调查局自主研发的国内首台海底地层空间立体钻探与原位监测机器人,日前在南海1264米水深海域成功完成试验作业,各项性能全面达标,标志着我国深海勘探与地层原位监测技术取得重要突破。
2026-01-16 03:45
加载更多