导语

基于VR的辅助训练是一种很有前景的康复训练方法，已在康复领域有较为广泛的应用。多项基于VR的康复训练利用了触觉反馈，然而现阶段触觉反馈需要复杂的可穿戴硬件设备，这增加了构建训练条件的难度，也增加了患者的训练负担。近日，来自莱斯大学、贝勒医学院的一组研究人员发现了一种伪触觉方式，可在VR训练过程中在没有实际提供触觉的前提下，提供实时且逼真的触觉体验。该项研究发表在《Advanced Intelligent Systems》期刊上。

01 研究背景

随着电子和通讯技术的日益发展，VR技术已经在康复领域有了较为广泛的应用，基于VR的辅助训练是一种很有前景的康复训练方法。多项康复训练利用了触觉反馈，传统的触觉反馈即需要患者佩戴无线触觉控制器、指尖显示器和触觉手套等设备，然而受限于设备复杂，为患者佩戴过多的设备可能会影响交互效果，进而影响康复进程。近日，来自莱斯大学、贝勒医学院的一组研究人员发现了一种伪触觉方式，可在VR训练过程中在没有实际提供触觉的前提下，提供实时且逼真的触觉体验。

该研究报告的共同作者、莱斯大学机械工程系Marcia O'Malley教授表示："可穿戴技术设计师希望提供更加真实的虚拟体验，现阶段的触觉刺激主要是通过重现操纵物体时在指尖感受到的力量实现的，这会使得可穿戴触觉设备十分笨重，从而妨碍了手的活动，而随着人们在虚拟环境中花费更多时间，舒适程度也变得越来越重要，笨重的可穿戴触觉设备是未来值得解决和优化的问题。"

O'Malley进一步指出："针对长期佩戴，我们的团队想要开发一种在手腕处提供可信的触觉反馈的全新模式，就像我们已经习惯了的智能手表一样，手和手指保持自由，实现'全天'佩戴。"

悬空交互按钮

02 研究概述

所模拟的触觉包括通过皮肤传递的触觉和来自肌肉和肌腱的动觉。我们的大脑使用动觉反馈来持续感知我们身体的相对位置和运动，而这个过程无需有意识的努力。伪触觉是一种触觉错觉，是利用大脑如何接收、处理和回应触觉和动觉输入而产生的模拟体验。

该组研究人员提出如下假设，通过多感官伪触觉结合基于手腕的触觉伪触觉和视觉伪触觉，可能会引起受试者对虚拟互动的真正感知。此外，这种方法提供了一种平衡目前触觉可穿戴设备的负担问题和视觉伪触觉渲染中缺乏触摸真实感问题的方法。在两项心理物理学实验研究中，发现受试者可将这种多感官感觉映射到物理物体的硬度上，并且用户可以分辨出不同通过伪触觉和所指的触觉反馈渲染的参数调制的虚拟互动的硬度，该方法为创建广泛的触觉互动提供了一个潜在的指导。

绝对刚度估计测试

虚拟刚度判别测试

实验结果表明，受试者能够可靠地感知到虚拟按钮交互的刚度，即等同于与物理按钮交互时感受到的刚度。与单独的触觉或视觉反馈相比，多感官反馈扩大了与虚拟交互相关的物理刚度范围。虚拟刚度渲染的效果并不依赖于对物理对象的引用，因为受试者可系统地区分两个虚拟按钮的刚度。多感官反馈增加了对虚拟按钮刚度和辨别性能差异的敏感性。与单模态伪触觉反馈相比，多感官伪触觉反馈减少了物理到虚拟刚度映射和任务性能的个体差异。研究结果证明了在广泛的应用中使用多感官伪触觉来呈现与虚拟物体的交互的潜力。

03 研究展望

O'Malley表示："伪触觉并不是什么新鲜的技术，视觉和空间幻觉的研究和应用已发展了20余年。例如，当你移动你的手时，大脑对它应该在哪里有一种运动感，如果你的眼睛看到手在另一个地方，你的大脑会自动注意到。通过故意制造这些差异，有可能创造出一种触觉错觉，你的大脑将其解释为：'我的手碰到了一个物体'。关于伪触觉最有趣的是，你可以在没有硬件负担的情况下创造这些感觉"。

受试者佩戴的护腕有一条可以收紧和挤压手腕的电动绳，以及小型振动马达，这与手机上发出无声警报的部件相同，分布在手腕的顶部、底部和两侧。这些振动的时间和程度以及护腕挤压的时间和力度都可以相互协同，并与受试者在虚拟现实中的动作相匹配。结果表明，机械化护腕的协调触觉增强了伪触觉信号的真实性和可信程度。

在实验中，研究人员让受试者按下被编程为模拟不同程度硬度的虚拟按钮。研究表明，受试者能够感觉到四个虚拟按钮中不同程度的硬度。为了进一步证明该系统可以模拟的物理互动范围，该团队随后将其纳入其他九种常见的虚拟互动类型，包括拉动开关、旋转表盘以及抓取和挤压一个物体，受试者均有较强的沉浸感和操控感，其中伪触觉的可信度都比较高。

O'Malley总结："保持双手自由，同时将手腕处的触觉反馈与视觉伪触觉相结合，是增强VR中用户体验的一个有趣的新方法。"

多通道伪触觉按钮

内容来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230222141144.htm