芝加哥大学研究无需硬件即实现手指触觉感知

UNIVERSITY OF CHICAGO

我（作者，以下简称我）所经历过的最奇妙的虚拟现实体验之一是能够触摸到一个不存在的物体。通过耳机实现视频和音频的感知，沉浸在虚拟世界中是一回事，但增加接触在某种程度上则是变革性的；物理交互以一种更直接的方式将你带入虚拟世界。但与VR或AR相关的一切一样，这一切都是极其硬件密集的。尤其是在增强现实的情况下，所有这些硬件都有可能会成为障碍。

硬件层对虚拟触摸来说是个问题，因为它似乎没有办法绕过。视频和音频可以让自己变得“透明”，比如眼镜、隐形眼镜或骨传导，这可以让你在增强现实的基础上体验真实世界。然而，对于触摸，必须有一些物理的东西存在来进行感知，比如你的手指，这样才能真正感受到感觉。通常情况下会利用某种手套来实现，无论手套是否在传递触觉信号，人们仍然需要一直戴着它。

芝加哥大学的研究人员已经找到了解决这个问题的聪明方法。在将于CHI 2023上发表的一篇论文中（该论文还将获得最佳论文奖），他们展示了一种可穿戴系统，该系统可以通过侵入手背的神经，在没有任何硬件阻碍的情况下，在手指和手掌底部产生触觉。

这种方法取决于所谓的“移位感觉（referred sensation）”，即你的身体在一个地方受到的刺激会在另一个地方感受到——就像你不小心把肘部撞到了什么东西上，但你的手指会感到刺痛，因为信号会沿着你的神经向上传播到你的手上。研究人员设置在手指顶部有一个信号电极，在手腕附近有一个接地电极，可以刺激每个手指的各个部位，在五个手指和手掌上创建11个单独可控的触觉区域。

然而，仅仅敲击手指并不能让这些信号只出现在手指的底部（手掌），而不是顶部（背侧），这是信号的来源。幸运的是，我们手上神经的不对称排列方式使这成为可能。反手刺激技术之所以有效，是因为你的手掌和指垫比手背敏感得多，这要归功于手掌侧的机械感受器增加了约60倍。研究人员能够找到一种足以触发指垫神经的刺激强度，同时保持在手指后侧的检测阈值以下，巧妙地解决了这个问题。

我们请芝加哥大学人机集成实验室的负责人Pedro Lopes描述了使用这个系统的感觉：

电触觉刺激感觉并不完全像真正的触摸。但在接触时，它确实感觉像是轻拍我的皮肤，这很真实。令人惊讶的是，你完全能够在手掌的不同部位感受这种感觉，而不是在VR中电极所在的位置，当我看到我的手触摸墙壁时，我的大脑期待着前方多个部位的感觉，这正是我所感觉到的。当我第一次抓住时，感觉很好。要想感受到持续的压力，还有一些需要改进的地方，如果我继续抓住它一分钟，我就会开始注意到这与真正的抓住物体是不一样的。

在两项用户研究中，大多数参与者报告说，尽管电极安装在手的背侧，但他们的手掌侧有超过90%的触觉，定位也相当稳健。在包括粘土和虚拟岩石在内的混合现实操作任务中，参与者评论说，“感觉本身就很温暖和刺痛”，以及“我感觉到了我所期望的感觉”。可以说，最重要的是，这个系统可以让你同时用手做其他事情，而不会影响VR/AR体验。

Lopes解释：“虽然你在视频中看到了很多VR，但有了这种新级别的触觉感知，我们认为可以释放出超越VR/AR的触觉新用例。例如，我们认为触觉可以用于学习应用程序（例如，在弹钢琴或打鼓时），甚至可以用于复杂的互动。例如，在视频中，你可以看到我在做DJ，在数字DJ系统的帮助下，当我抓住音量控制器和转盘时，我可以感觉到触觉通知，告诉我什么时候切换，以获得更好的混音效果。没有一个DJ会戴上手套只是为了享受这种额外的反馈，但通过这种方式，我们认为权衡要平衡得多。”

要改进这项技术，还有很多工作要做。Lopes说，除了能够感觉到接触之外，他们已经建立了产生纹理感觉的系统，这是通过向电极发送连续波形（而不是短脉冲）来实现的。芝加哥大学的Yudai Tanaka、Alan Shen、Andy Kong和Pedro Lopes所作的《无阻碍手掌侧的全手电触觉反馈》（https://lab.plopes.org/published/2023-CHI-BackOfHandElectroTactile.pdf）将在汉堡举行的CHI 2023上展示。