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

  • X-37B骗了所有人——空天飞机≠航天飞机

独家策划

推荐阅读
在机器人足球互动区,身高不足1米的小型人形机器人成为射门球员,现场的小观众担任守门员,开启点球大战,战况激烈。
2026-08-28 09:29
由此而言,坚持让人工智能服务立德树人这一根本任务,助力“五育”并举、促进学生全面发展,才能让人工智能成为赋能教育和学生的有力臂膀。
2026-08-28 09:23
“十五五”期间国家电网将加快特高压通道建设
2026-08-28 04:55
“叮——”一声清脆的钟鸣划开展厅的喧嚣,天工3.0机器人的银白机械臂轻叩青铜编钟,《小星星》的旋律徐徐流淌。
2026-08-28 03:55
为推动人工智能医学影像研究的负责任创新和健康发展,国家科技伦理委员会医学伦理分委员会27日发布《人工智能医学影像研究伦理指引》。
2026-08-28 03:55
8月26日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆“冰丝带”闭幕。小型组400米比赛中,北京人形机器人创新中心研发的天工Omni一骑绝尘,以45.66秒的绝对速度率先撞线,其掩面狂奔的“娇羞”姿势更是火遍全网。
2026-08-27 09:55
作为地球上物种多样性最高的动物类群,昆虫的早期起源与登陆演化历史长期存在研究空白。系统研究表明,先驱乔昔虫这一早期干群昆虫具备半水生两栖生活习性,栖息于水陆交界的湿润微环境。
2026-08-27 09:53
中共中央政治局常委、国务院总理李强8月24日至26日在黑龙江、吉林调研。
2026-08-27 09:51
重庆依山而建、傍水而兴,多山多水的复杂地貌,给城市交通建设带来天然挑战,也造就了独一无二的立体交通图景。“悟空立交”的出圈,也是中国超级基建版图的微小切片。广袤中华大地,山河辽阔、地貌多元,从峡谷江河到高原山川,中国基建逢山开路、遇水架桥,在复杂地形上书写了无数建设传奇。
2026-08-27 09:50
记者26日从中国科学技术协会举办的新闻发布会上获悉,以“科技改变生活创新赢得未来”为主题的全国科普月将于9月1日启幕。全国科普月期间还将同步举办世界公众科学素质促进大会,将邀请国内外专家学者围绕“面向智能社会的科学素质”主题展开研讨。
2026-08-27 09:46
当前,人工智能与实体经济持续深度融合,产业变革多线并进。从算力芯片、工业智能装备到低空通航体系,技术创新持续打通落地堵点,全方位推动制造、服务等领域转型升级。
2026-08-26 09:32
这种由胶子彼此束缚形成的特殊粒子,就是胶球。
2026-08-26 05:50
“棉芯1.0”以“网页端+小程序端”双端设计,分别瞄准科研创新与田间生产两大核心场景。
2026-08-26 05:50
工业和信息化部绿色低碳标准化技术委员会日前成立
2026-08-26 05:15
做学问这件事,说到底就是认准一个目标一直追下去
2026-08-26 05:15
促进人工智能与农业发展相结合,是提升农业科技创新效能的重要着力点。
2026-08-26 05:15
中央气象台首席预报员陈双预计,出伏后,四川盆地、江汉等地将有高温天气出现,上述地区仍需关注“秋老虎”天气。
2026-08-25 09:49
近期,在部分高原、草原景区,投喂、抚摸野生旱獭(土拨鼠)或与其近距离合影打卡,成为不少游客跟风的行为。除了野生旱獭,黄鼠、沙鼠等啮齿动物也是鼠疫的自然宿主,野兔、狐狸、野猫等野生动物也可成为鼠疫的偶然宿主,均存在传播风险。
2026-08-25 09:47
翻看评论区,呼声最高的几条是“旺仔牛奶太甜了”“能不能出低糖版”——不是不爱,是当年的小孩长大了,而有些配方还没跟着长大。
2026-08-25 09:46
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革正在改变经济社会的传统发展模式。同时,世界百年未有之大变局加速演进,全球创新版图和竞争格局正在经历深刻调整。
2026-08-25 02:10
加载更多