城大研發(fā)無線超薄「電子皮膚」 靈活呈現(xiàn)個(gè)人化虛擬觸感體驗(yàn)
透過觸感提升虛擬體驗(yàn)成為新興趨勢(shì)，但市面上的觸感裝置一般較為笨重、受電線及傳輸線路等束縛。香港城市大學(xué)（城大）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)最近研發(fā)一套無線的電觸覺反饋系統(tǒng)「WeTac」，具備可供穿戴於手的超薄及柔軟材質(zhì)，並藉由收集用家的個(gè)人化觸覺感應(yīng)數(shù)據(jù)，希望為「元宇宙」帶來更傳神生動(dòng)的虛擬觸感體驗(yàn)。
新研發(fā)的系統(tǒng)於虛擬遊戲、運(yùn)動(dòng)及技術(shù)培訓(xùn)、社交或遙控機(jī)器人等方面，具有龐大的應(yīng)用潛力。城大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系副教授于欣格博士帶領(lǐng)是次研究，他說︰「除了視覺和聽覺以外，觸覺反饋將進(jìn)一步提升虛擬實(shí)境（virtual reality, VR） 之體驗(yàn)。故此，我們致力研發(fā)一套更輕薄、更柔軟、更緊貼皮膚的無線觸感介面，使用家穿戴在手時(shí)仍可自由運(yùn)動(dòng)，仿如第二層皮膚一樣。」
圖片來源﹕香港城市大學(xué)于欣格博士研究團(tuán)隊(duì)
于博士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，與城大機(jī)械工程學(xué)系講座教授李文榮教授、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系副教授王立代博士及其他研究人員，共同研發(fā)WeTac —— 這一套緊貼皮膚而靈活的無線虛擬觸感系統(tǒng)。這項(xiàng)研究結(jié)果已發(fā)表於科學(xué)期刊《Natural Machine Intelligence》，並成為封面文章，標(biāo)題為〈Encoding of tactile information in hand via skin-integrated wireless haptic interface〉。
輕薄的無線穿戴式手掌貼片代替沉重的觸感手套
目前的觸感手套主要由氣泵和風(fēng)管所構(gòu)成，以電線及傳輸線路來供電和控制系統(tǒng)，嚴(yán)重影響虛擬實(shí)境、擴(kuò)增實(shí)境（augmented reality, AR）等用家的沉浸式體驗(yàn)。新研發(fā)的WeTac作為一套輕薄、柔軟、緊貼皮膚的無線電觸覺反饋系統(tǒng)，正有助解決上述提及的缺點(diǎn)。
這套系統(tǒng)由兩部分組成︰一個(gè)可貼於前臂的微型軟片式驅(qū)動(dòng)器作為操控面板，以及一塊水凝膠電極手掌貼片作為觸感介面。
整個(gè)驅(qū)動(dòng)器淨(jìng)重19.2克，體積細(xì)小（5cm x 5cm x 2.1mm），能夠配戴在用家前臂之上，同時(shí)配備低功耗藍(lán)芽（Bluetooth low energy, BLE）及可充電的小型鋰離子電池，以作無線傳輸及供電操作之用。至於手掌貼片的厚度僅得220微米至1毫米，掌心至指尖位置都有電極覆蓋，即使轉(zhuǎn)換不同動(dòng)作，都能展現(xiàn)其靈活性及保持有效觸覺感應(yīng)。
高密度電極陣列提供個(gè)人化觸感體驗(yàn)
于博士解釋現(xiàn)今觸覺技術(shù)遇到的另一難題時(shí)說︰「電觸覺是一種為用家?guī)硖摂M觸感體驗(yàn)的有效方法。然而，每個(gè)人的觸覺敏感程度不一，相同的反饋強(qiáng)度在不同用家手中，可能有不一樣的感受。因此我們需要研發(fā)一套通用的工具，為不同用家調(diào)整相應(yīng)的反饋參數(shù)。」
圖片來源﹕香港城市大學(xué)于欣格博士研究團(tuán)隊(duì)
而WeTac手掌貼片的超柔軟特性，使系統(tǒng)易於找出不同用家的閾值電流，從而計(jì)算手部不同位置最適合的反饋參數(shù)。根據(jù)個(gè)人化的電流數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可因應(yīng)手掌不同部位的敏感程度，提供適當(dāng)?shù)碾娪|覺刺激強(qiáng)度，避免觸感過弱、或過強(qiáng)而造成疼痛。通過上述方法，系統(tǒng)可把物件大小、停留時(shí)間長(zhǎng)短等觸覺感受的時(shí)間和空間訊息，有效傳神地反饋到用家手上，為用家?guī)砀普娴奶摂M觸感體驗(yàn)。
貼片裝有32枚電觸覺刺激顆粒、每顆電極之間的中心距離約為13毫米，全面覆蓋指尖至掌心等不同範(fàn)圍，為穿戴貼片在手的用家，帶來可編程的空間與時(shí)間觸感。
另外，研究人員為系統(tǒng)加入安全裝置，避免用家觸電以外，亦將溫度保持在攝氏27至35.5度的較低水平，以免用家因長(zhǎng)時(shí)間操作而感到不適。
具備廣泛應(yīng)用潛力
WeTac系統(tǒng)成功融入VR及AR等虛擬場(chǎng)景，亦可透過BLE通訊與機(jī)械臂等儀器同步運(yùn)作。用家透過WeTac輕巧、可穿戴式及無線操控的設(shè)計(jì)，配合其以敏感度為中心的強(qiáng)度調(diào)整，就可輕鬆地以「親手」體驗(yàn)虛擬觸感。使用者可於不同場(chǎng)景感受虛擬物件，例如在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中抓握網(wǎng)球、在虛擬社交或遊戲中觸摸仙人掌、或感受老鼠在手上走動(dòng)等體感。
于博士說︰「團(tuán)隊(duì)相信這項(xiàng)研究可為虛擬接觸提供有效的發(fā)展工具，亦對(duì)『元宇宙』、人機(jī)介面操作及其他不同範(fàn)疇的技術(shù)發(fā)展，帶來啟發(fā)性的意義。」
圖片來源﹕香港城市大學(xué)
研究論文的共同第一作是城大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系博士研究生姚寬明先生和周靖昆先生、機(jī)械工程學(xué)系博士畢業(yè)生黃清云博士，以及生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系研究助理吳夢(mèng)鴿小姐及博士研究生姚俊祺先生。共同通訊作者分別是于博士、王博士和李教授，以及中國(guó)電子科技大學(xué)的于軍勝教授。復(fù)旦大學(xué)的宋恩名教授（前城大香港心腦血管健康工程研究中心研究員）、北京大學(xué)的張海霞教授及韓夢(mèng)迪博士亦有參與研究。
研究項(xiàng)目的資金來源包括城大、香港研究資助局、創(chuàng)新及科技基金、香港心腦血管健康工程研究中心及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)。
城大團(tuán)隊(duì)研發(fā)一套無線超薄「電子皮膚」以提供生動(dòng)及個(gè)人化的虛擬觸感體驗(yàn)。 影片來源﹕香港城市大學(xué)于欣格博士研究團(tuán)隊(duì)