研究员为HoloLens 2 MR体验研发指戴式触觉设备，改善MR体验
新加坡国立大学和香港城市大学
（映维网Nweon 2024年08月21日） 业界针对VR纹理模拟的触觉反馈技术进行了广泛的研究。但在MR中，如何修改现有物理对象的感知触觉纹理是一个挑战。
针对这个问题，新加坡国立大学和香港城市大学介绍了一种指戴式触觉设备ViboPneumo。它主要使用振动气动反馈来调节（增加和减少）用户指垫接触材料表面的感知粗糙度，同时支持其他触觉特性的感知感觉。
用户感知实验结果表明，与原始材料表面相比，参与者可以感知粗糙度的变化，包括增加和减少。另外，在粗糙度方面有可能将一种材料的感知纹理改变为另一种材料，例如将陶瓷的感知纹理修改为玻璃。最后，一项关于MR体验的用户研究表明，与裸指相比，ViboPneumo可以显著改善MR用户体验，特别是视觉-触觉匹配。
材料表面的纹理属性，如粗糙度、刚度和温度，是人类认识世界的重要信息。通过直接触摸，我们可以感知物理对象的属性。然而，在VR和MR中再现与材料相关的触摸感觉依然具有挑战性。
所以，研究人员开发了各种触觉设备或皮肤集成触觉界面，以支持用户在VR中与虚拟对象进行交互，感受其触觉特性。其中，粗糙度是决定现实世界中物理表面的触觉感知特征以进行纹理理解的关键因素。
业界针对VR纹理模拟的触觉反馈技术进行了广泛的研究。但在MR中，如何修改现有物理对象的感知触觉纹理是一个挑战，因为虚拟内容可以叠加在物理对象之上。在这种情况下，可以使用匹配的物理对象作为交互式触觉代理来增强MR的用户体验和任务性能。
尽管虚拟-物理形状匹配可以通过数字制造实现，但在具有相同形状但不同表面的虚拟对象的物理代理上制造精细表面纹理可能效率低下。例如，3D打印具有相同尺寸但引线距离不同的虚拟螺钉的多个物理副本可能不具有成本效益。
考虑到物理触觉代理的可重用性，使用一个或更少的物理对象来支持具有相同物理维度但可能不同纹理表面的多个虚拟对象的触觉体验将是有帮助的。直接在物理代理应用振动触觉刺激可以改变感知到的纹理，但这种方法需要将振动器安装在物理材料之上。这一限制阻碍了触觉界面的可扩展性和可穿戴性。所以，能够通过可穿戴的触觉界面增强或修改物理对象的触觉纹理感觉，并用于MR交互非常重要。
有研究人员尝试通过可穿戴设备改变物理对象的感知触觉来丰富虚拟对象的触摸体验。振动触觉反馈是使用可穿戴触觉设备增加感知粗糙度的常用方法。例如，使用基于指环的触觉设备来向物理材质添加不同频率的振动，从而增加感知到的粗糙度。同样，电触觉刺激已证明能够支持真实对象表面感知粗糙度的增加，以实现无指垫的探索。
然而，大多数与可穿戴设备的粗糙度调制相关的先前研究都集中在粗糙度增加。粗糙度减小是粗糙度调制的另一个同样重要的方向，但它得到的研究相对较少。
所以，新加坡国立大学和香港城市大学展开了相关的研究。他们在指垫周围采用了一个气动致动器，不阻塞皮肤，通过不显眼的气动致动来减少感知的粗糙度，无需触摸交互之前的额外人工触觉刺激。
这主要是受到人体纹理感知的心理物理学研究的启发。其中，研究表明皮肤接触面积的减少会导致施加法向力的减少，从而进一步降低感知的粗糙度。
研究人员介绍了一种指戴式触觉设备ViboPneumo。它主要使用振动气动反馈来调节（增加和减少）用户指垫接触材料表面的感知粗糙度，同时支持其他触觉特性的感知感觉，如温度、粘性和刚度，从而为用户实现粗糙度调节的心理效果。
装置包括一个线性谐振致动器、一个3D打印外壳支撑、一层PDMS薄膜、一层夹在两层硅橡胶薄膜之间的PET薄膜，以及一个气动振动触觉控制系统。装置使用俯视摄像头捕获食指在物理表面滑动的速度，并产生不同频率和振幅的实时振动触觉刺激，以增加感知的粗糙度。
装置同时包括指垫周围的空心气动致动器，通过在膨胀后抬起指尖来降低物理表面的感知粗糙度，减少用户指垫皮肤与物理表面之间的接触面积。通过这种设计，用户的指垫可以自由地感知原始物理表面的触觉，因为用户可能需要在MR中与物理对象和虚拟对象进行切换交互。
研究人员基于FEA进行了数值建模仿真，以参数化所提出的气动执行器的充气位移/变形。用户感知实验结果表明，ViboPneumo可以有效地改变各种材料的感知粗糙度，如玻璃、陶瓷、纸张、木材、棉花和皮革。
另外，团队观察到用户评定的粗糙度范围在特定类型的材料中重叠，这表明在粗糙度方面有可能将一种材料的感知纹理改变为另一种材料。例如，一种光滑的材料（例如玻璃马克杯）可以变成另一种粗糙的材料（例如陶瓷马克杯）。
相关论文：ViboPneumo: A Vibratory-Pneumatic Finger-Worn Haptic Device for Altering Perceived Texture Roughness in Mixed Reality
对MR体验的用户研究结果表明，与没有粗糙度调制的情况相比，ViboPneumo可以显著改善用户的MR体验。
