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

  • 辽宁营口:24小时为进出港船只破冰护航

  • 美丽中国丨冬日抚仙湖

独家策划

推荐阅读
1月27日上午,中国科学院大学星际航行学院揭牌仪式在中国科学院与“两弹一星”纪念馆举行,标志着该学院正式成立。从“东方红一号”划破天际到“祝融号”漫步火星,中国人的航天梦从未停止。
2026-01-28 02:45
2025年,我国区域科技创新布局更加优化,三大国际科技创新中心建设进入新阶段,区域科技创新中心建设取得新成效。
2026-01-28 02:45
打破产业间的壁垒,鼓励跨领域、跨行业的融合探索,推动资源要素的自由流动与高效配置,不仅能盘活存量资源、激发增量活力,更能催生具有引领性的新产业、新模式、新动能。
2026-01-28 02:45
合肥是儿童文学作家许诺晨的家乡。合肥科学岛,是她所拥有的一座得天独厚的科学和科幻题材的“硬核基地”,由她来写量子少年这个题材,可谓“近水楼台”。《量子女孩》(中国少年儿童新闻出版总社2025年12月出版)是她献给“量子新城”合肥的一部“家乡书”。
2026-01-28 02:55
北京火箭大街展示与运控中心作为商业航天测运控中心、商业航天公共服务平台的空间载体,将为企业提供卫星运控服务和交流推介平台。
2026-01-28 09:15
水稻耐不耐旱,和叶子的厚实程度相关,这是由什么因素决定的?日前,中国农业科学院作物科学研究所水稻分子设计技术与应用创新团队发现,水稻基因组中的三个耐旱基因可以“团队作战”,
2026-01-27 02:50
年轻人享受便利的同时,关注新的变化:智能穿戴设备是否正在塑造一个充满数据和规定的生活方式?“贴身伙伴”的出现改变了生活,人们同自己身体、同生活本身的关系,是不是也在变?
2026-01-27 03:15
商业航天是培育新质生产力、建设航天强国的重要力量。面对全球商业航天竞争日趋激烈的态势,中国商业航天亟须推动产业从“政策驱动”转向“市场驱动”。
2026-01-27 09:18
云南大学研究团队日前在国际学术期刊《自然》发表了关于早期脊椎动物视觉系统演化的研究成果,首次揭示了早期脊椎动物具有4只相机型眼,
2026-01-27 02:50
黄宣谕在《当代中国史研究》2025年第6期撰文指出,1949—1958年,基于工作重心转移与科普力量分布状况,党和政府重点在大中城市开展科普工作。
2026-01-28 02:55
印度东部西孟加拉邦近期出现尼帕病毒感染病例,目前已报告5例确诊病例,其中一名患者病情危重。泰国、尼泊尔等国已在机场和边境口岸加强防疫检测。尼帕病毒是一种新出现病毒吗?它有哪些特点?为何印度暴发的尼帕病毒疫情引起多国高度关注?
2026-01-27 03:15
科学家精神在我国科技发展事业中萌芽、生成、丰富、完善,成为兼具历史传承性、文化包容性与民族独特性的精神标识,不仅教育引导各类人才矢志爱国奋斗、锐意开拓创新,更是拔尖创新人才成长的精神旗帜与动力源泉。
2026-01-27 03:15
1月26日,将迎来腊八。一些细心的公众发现,相较于前些年,今年腊八来得有些晚。
2026-01-26 09:59
据农业农村部最新发布的数据,2025年全国粮食产量达到14298亿斤,增产168亿斤,连续两年稳定在1.4万亿斤以上。
2026-01-26 09:56
试验将收集锋面不同高度、不同位置的气象数据,为深化云贵准静止锋研究、提升预报服务能力提供更全面的支撑。
2026-01-26 09:51
中国科学家在国际学术期刊《细胞》发表论文,首次系统揭示了埃博拉病毒在2018—2020年大规模流行期间的一个关键“优势”突变。
2026-01-26 09:49
这一问题在当代科技哲学与美学的交叉前沿领域日益成为争论的焦点。
2026-01-26 09:48
我国结核病防治虽成效显著,疫情持续下降,但当前形势依然严峻,防治工作任重道远。作为一名从业30多年的结核科医生,我一直专注于结核病的临床诊治与防控,从未想过自己会与结核病防治历史结缘——直到十余年前。
2026-01-23 10:13
每到冬天,许多人都会感到手脚冰凉,即使穿得很厚,也难以真正暖和起来。为什么会有这种现象?该如何有效改善?
2026-01-23 10:06
“设立教育基金是我多年的心愿,希望为学校年轻人的培养作一点贡献。”
2026-01-23 10:01
加载更多