戴上觸覺手套VR擼貓：感受貓毛粗糙度、舌頭倒刺，來自騰訊Robotics X&港城大

明敏 2022-10-05 13:38:14 來源：量子位

豐色 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

工作忙沒時(shí)間養(yǎng)、討厭到處都是毛……又想擼貓解壓？

或許未來元宇宙可以幫你實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望。

騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室和香港城市大學(xué)發(fā)明了一種觸覺“手套”，手掌和指間的傳感器可以讓你在用不同的速度和方向“撫摸”貓毛時(shí)感受到粗糙度的變化。

再配上VR，就可以實(shí)現(xiàn)虛擬擼貓了。

當(dāng)你把手伸到“貓貓”的舌頭面前，還能感受到上面的倒刺。

哇，盡管畫面還稍顯粗糙，但貓貓教看完已經(jīng)有點(diǎn)心動(dòng)這種新奇的體驗(yàn)了。

話說回來，這個(gè)觸覺又是如何做到的？

薄到可以集成到手指套中的觸覺制動(dòng)器

現(xiàn)有觸覺刺激技術(shù)可分為兩類——機(jī)械刺激和電刺激。

機(jī)械刺激是通過機(jī)械致動(dòng)器（actuator）在皮膚上施加局部機(jī)械力或震動(dòng)，從而讓人感受到觸覺。

不過一般這種致動(dòng)器體積都比較大，硬要把它集成到便攜式或可穿戴設(shè)備中，就只能犧牲觸覺分辨率。

相比之下，電觸覺刺激器就沒有這種煩惱，可以做到既輕便又靈活，同時(shí)提供更高的分辨率和更快速的響應(yīng)。

但它又需要比較高的電壓來穿透我們的皮膚外層以激活神經(jīng)，所以安全性沒法保障，電擊帶來的刺痛感也影響體驗(yàn)。

為了保證擼貓的真實(shí)感觸，研究團(tuán)隊(duì)們選擇在電刺激技術(shù)上加以改進(jìn)，研發(fā)可以小到集成到手指套中的觸覺致動(dòng)器。

里面主要有兩個(gè)技術(shù)創(chuàng)新：

一是可以把刺激電壓降低到13V～28V的高頻調(diào)制方法。
是的，與大多數(shù)電觸覺致動(dòng)器靠高壓直流 (DC) 脈沖來穿透高阻抗角質(zhì)層（皮膚最外層）不同，該研究團(tuán)隊(duì)在這里選擇了高頻交流電 (AC) 。

如下圖所示，由于人體皮膚每一層的電阻抗可以建模為并聯(lián)的電阻和電容，因此高頻交流電可以穿透人體皮膚并刺激觸覺神經(jīng)。

通過實(shí)驗(yàn)他們發(fā)現(xiàn)，增加交流電刺激的頻率（從20kHz增加到10kHz）會(huì)讓電流密度更高和、皮膚滲透更深，從而轉(zhuǎn)化為更多神經(jīng)的激活，呈現(xiàn)出更強(qiáng)的觸覺。

同時(shí)，使用相同參數(shù)但具有180°相位差的兩個(gè)AC電流進(jìn)行刺激，也能進(jìn)一步增強(qiáng)觸覺感知。

具體表現(xiàn)上，低頻和高壓刺激最能模擬巖石和砂紙等粗糙紋理，而高頻和低壓刺激可以呈現(xiàn)絲綢和玻璃等光滑紋理。

最終，研究人員通過志愿者測試得到了最低13V的閾值電壓和最高28V的耐受電壓，以及15V~25V的舒適感知范圍。

此外，有85%的受試者可以感知到刺激電壓以最低0.5 V的步長變化，這就對應(yīng)了至少20個(gè)強(qiáng)度區(qū)間，遠(yuǎn)高于早期研究中的4個(gè)。

第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是電流轉(zhuǎn)向超高觸覺分辨率技術(shù)，它可以讓該觸覺致動(dòng)器的空間分辨率在無需額外硬件的同時(shí)提高四倍，達(dá)到76dots/cm2，接近于人類觸覺感知。

并做到超過人類的4kHz快速刷新率，覆蓋整個(gè)人類觸覺強(qiáng)度范圍。

具體就是通過利用電極陣列的高度可重構(gòu)性在物理電極之間的位置執(zhí)行刺激，從而實(shí)現(xiàn)超分辨率，如下圖所示，小三角部分即為目標(biāo)點(diǎn)。

隔著厚手套也能摸出直徑1mm的小凸點(diǎn)

如圖所示，研究人員給志愿者進(jìn)行了“盲文測試”，他們可以通過這個(gè)觸覺裝置給出的筆劃，猜出是什么字母/數(shù)字。

當(dāng)然，“I”和“1”、“S”和“8”、“O”和“0”這類還是比較難識(shí)別出。

志愿者們還戴上了消防員手套來測試致動(dòng)器的敏感度。

結(jié)果盡管隔著厚厚的一層，它也能讓人成功摸到玻璃上的一個(gè)小凸點(diǎn)。

——而這個(gè)點(diǎn)直徑居然只有1mm，厚度更是只有0.44mm。

最后，應(yīng)用方面，這項(xiàng)技術(shù)除了用來擼貓還可以做很多事情。

比如虛擬購物，用來感受不同衣服的材質(zhì)。

抑或是幫助宇航員和深海潛水員等恢復(fù)防護(hù)服之下的觸覺感知。

在更遙遠(yuǎn)的未來，它還可在虛擬培訓(xùn)甚至5G遠(yuǎn)程手術(shù)等場景中派上用場。

團(tuán)隊(duì)介紹

目前該成果已入選Science Advances，由騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室和港城大機(jī)械工程系共同完成，一作一共有3位。

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

參考鏈接：
https://www.cityu.edu.hk/mne/research-laboratories/research/mne-research-unpack/technology-could-let-you-cuddle-your-cat-virtual