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

  • 海军四川舰顺利完成首次航行试验

  • 大、小苏干湖:咸淡相连的高原“姊妹湖”

独家策划

推荐阅读
这台高能非弹谱仪的独特之处在于,它利用了中子不带电、穿透力强的特性,能够直接探测到物质内部的微观运动。
2025-11-17 08:56
建立和完善国家公园监测网络体系,是我国生态文明建设领域的重要实践,是践行人与自然和谐共生现代化理念的具体体现。
2025-11-17 04:30
浙江清凉峰国家级自然保护区是我国重要的生物多样性聚集地之一,也是长三角地区珍贵的物种基因库。
2025-11-17 04:30
近日,我国科研团队在嫦娥六号月背样品中首次发现大型撞击事件成因的微米级赤铁矿和磁赤铁矿晶体,揭示了全新的月球氧化反应机制,为环绕南极-艾特肯盆地磁异常的撞击成因提供了样品实证。
2025-11-17 04:30
在不久前召开的联合国教科文组织“人与生物圈计划”国际协调理事会第37次会议上,内蒙古大青山国家级自然保护区和陕西周至国家级自然保护区,被批准为“世界生物圈保护区网络”成员。
2025-11-17 04:30
以“智跃无界,开源致远”为主题的操作系统大会2025(以下简称“大会”)在北京举办。
2025-11-14 17:08
我国在4个国家开展6处文物古迹保护修复,49项中外联合考古项目涉及28个国家和地区,用实际行动践行全球文明倡议、不断丰富世界文明百花园。
2025-11-13 07:07
由四川省人民政府主办的2025世界动力电池大会12日在宜宾市开幕。
2025-11-13 04:55
据估算,太阳每秒钟释放的能量,可供全人类使用约70万年。模拟太阳来产生无尽的清洁能源,也因此成为人类的“终极能源梦想”。
2025-11-13 04:55
日前,中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所、中科合肥智能育种加速器创新研究院联合发布重要成果:全链条机器人育种家“小海”与“海霸设施”小麦快速育种商业化服务平台同步启动,标志着我国在智能育种装备与工程化应用上取得关键突破。
2025-11-13 04:55
日前,记者从全球规模最大的恐龙蛋化石遗址——湖北青龙山恐龙蛋化石群国家级自然保护区获悉,数字化档案建设团队正为库藏的每一枚较完整恐龙蛋化石,赋予由“保护区名称—化石产地名称—库藏箱编号—标本编号”构成的唯一“身份证ID”。这标志着该保护区首次实现恐龙蛋化石专属标识管理。
2025-11-13 04:55
困扰无数人的睡眠问题,终于有一部纪录片说清楚了!
2025-11-13 08:55
国家卫生健康委百万减残工程专家委员会主任委员、中国医学科学院北京协和医学院院校长吉训明介绍,目前,全国已有20个省份成立减残工程专委会,8个省份正在积极推进。
2025-11-12 07:24
2025年是中国科学院院士、我国理论物理学奠基人、“两弹一星功勋奖章”获得者彭桓武诞辰110周年。
2025-11-12 07:23
由中国科学院昆明动物研究所牵头,联合国内外多家科研机构组成的研究团队,通过对现存及灭绝长臂猿的大规模基因组测序与比较分析,系统阐明了长臂猿科的演化历程、种群动态及其标志性长臂表型的遗传基础,为全球长臂猿的保护行动提供了新的科学见解,相关研究成果日前发表于国际学术期刊《细胞》。
2025-11-12 05:10
11月11日,长征八号甲遥五运载火箭在海南商业航天发射场成功实施转运,计划择期发射。
2025-11-12 05:10
近日,中核集团中国原子能科学研究院主导建设的量子放射性计量实验室及电离辐射计量级设备“一线多用”产研平台正式投入运行,成功填补我国在低温量子磁量热计领域的空白。
2025-11-12 05:10
在数据管理与使用方面,《实施方案》提出,实行物流公共数据分类分级管理,规范开展数据授权运营,扩大路网、轨迹、企业、人员等关键数据供给。
2025-11-11 10:03
中国科协日前发布的《中国科技期刊发展蓝皮书(2025)》显示,我国科技期刊总量持续增加,从2023年的5211种提升至2024年的5325种,整体影响力稳步提升。
2025-11-11 10:04
空天地一体化网络作为国家信息化的重要基础设施,其战略意义远超普通通信技术范畴,它不仅是我国实现信息全球覆盖、自主创新的必由之路,更是在数字时代掌握发展主动权的关键布局。
2025-11-11 10:02
加载更多