VR体感还能这么玩,用辣椒素等化学物质来模拟冷热触感

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体感反馈技术,是通过外部设备来探索多样化的触觉模拟,原理是刺激皮肤的机械性感受器而产生体感。

而为了探索AR/VR中的体感应用场景,科研人员们曾研发多样化的方案,比如模拟力反馈、阻力、毛料质感,或是模拟环境变化,如风向、降温/升温等等。此前公布的一些方案,利用液体来改变皮肤接触到的温感,但这通常需要体积较大的液体储存装置和循环系统。

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近期,芝加哥大学的科研人员发现,也许可以用化学物质对皮肤的刺激,来模拟VR体感。据悉,这是一种基于化学原理的体感反馈方案,特点是采用辣椒素、薄荷醇等常见的化学物质,通过外部刺激来模拟体感。

为什么探索化学体感

这组科研人员原本的目标是,将交互式设备与人体结合,比如研发小型力反馈方案等等。为了缩小体感反馈装置的体积,科研人员决定不采用大量的外部硬件(如外骨骼电机等)来模拟体感,而是通过更加简单的化学成分来欺骗人的生物反应,从内部引发体感反馈。科研人员表示:这种欺骗式的体感反馈,也许与我们更深层的生物机制密切相关。

科研人员表示:我们研发的方案有两种独特的优势。首先,它可以模拟触觉之外的一些体感,比如刺痛、麻痹等等。其次,它为体感模拟领域提供了一种新的选择,利用化学物质来省去笨重的机械设备(珀尔帖、震动模块、电触觉刺激系统等),也能实现多种不同的触觉。

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常见的体感反馈装置,通常采用振动触觉模拟或力反馈技术。目前,市面更多的方案主要是模拟力反馈、压感、拉扯、震动、触感,而对于热度、疼痛的研究比较少,现有的相关技术只是通过加热元件或电驱动的触觉单元来实现。

相比之下,基于化学物质的体感反馈方案无需控制温度,只是用物质就能刺激皮肤的感受器,模拟体感。

此前,这组科研人员还在CHI大会上展示吸入式化学体感方案,当VR用户吸入化学物质时,可感受到模拟的冷、热温感。

方案细节

在这项科学研究中,科研人员用化学物品来展示不同的VR体感模拟场景。细节方面,科研人员在VR头显上固定了一个储存化学原料的系统单元,负责通过导管向面部输送模拟特定体感所需的化学品。该方案采用的导管和体感模拟装置基于柔性材质,因此更贴合面部,可接触到脸颊等不平整的部分皮肤。而手腕部分的体感元件则集成在臂环内,并利用微型泵和驱动器来输送化学液体。与此同时,臂环可以通过蓝牙与VR头显同步。

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整个装备包括臂环、面部元件,可模拟物体接触皮肤的体感,模拟不同的温度,或是电火花打在皮肤上的刺痛感。化学体感设备的外层采用硅胶材质,其下方有绿色和蓝色的输液管,管子下方是使用者的皮肤。绿色的管道将化学液体从微型泵推出,并输入至蓝色管道,而蓝色管道是对皮肤开放的,允许液体与皮肤直接接触。接着,化学液体通过蓝色管道再次进入绿色管道,回到存储器中,这种臂环的设计可以循环利用液体材料,延长体验时间。

臂环是一种集成式的设计,它分为两部分,一部分包括液体管道,而另一侧则是电子元件,包括微型泵、驱动器和微型控制器。此外,还采用热敏电阻作为液体传感器,用于识别液体流入蓝色管道的过程。而VR头显下方的脸颊部分,也是采用相似的原理。

VR体感模拟场景

在科研人员设计的VR场景中,你将穿过一个走廊,这里发生了爆炸,造成你手臂上的装置出现故障,发出电火花。通过化学体感装置,科研人员可以在你的手臂上模拟接触电火花时刺痛的感觉,这种刺痛感来自于花椒素。除了花椒素外,也可以使用其他化学物质来模拟降温、加热、麻木、刺痛等不同的体感。

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在图片中,你可以看到臂环中循环着一种蓝色液体,这些蓝色液体会通过输送管的开放部分接触并进入皮肤,触发皮肤对轻触的感知,形成一种刺痛感。

实际上,该方案通过手臂、脸颊上循环花椒素等化学物品,来对皮肤产生刺激。脸颊部分,则是通过VR头显下方的导管来传输薄荷醇来实现降温,模拟冬天下雪打在面部的感觉。此外,通过向面部输入辣椒素,可以模拟热感。

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而为了在VR中模拟幻肢的感觉,科研人员则是用利多卡因来麻痹皮肤。利多卡因是一种表面麻醉剂,它的特点是可以屏蔽/减少体感反馈,当你用手按压被利多卡因麻痹的皮肤时,皮肤没有以往那么敏感。为了模拟受伤时皮肤的刺痛感,则采用了肉桂醛。

在下一个VR场景中,你将走进户外寒冷的山区,体感系统通过薄荷醇来刺激皮肤,产生清凉感来模拟降温。当你向右转时,会看到通往核反应堆的入口,这个核反应堆即将熔化。当你点击手臂装置来开门时,手臂再次产生故障,变成了幻肢。这时,系统为手臂注入利卡多因,麻痹手臂皮肤。

由于手臂装置出现故障,你只能通过手动杠杆来开启大门,开门后你走进了热气腾腾的反应堆室。这时候,系统为面部注入化学辣椒素,模拟发热的体感。

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在另外一个VR场景中,你将虚拟的液体倒在手臂的伤口上,这时候为了模拟伤口的刺痛感,系统会注入肉桂醛,肉桂醛可触发多种感受器,模拟恶性的冷感、瘙痒和疼痛。

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注:花椒素是一种提取自四川花椒的化学物质,薄荷醇则提取自薄荷,利多卡因是一种麻醉剂,通过抑制感觉神经造成麻木的体感,降低皮肤对触觉的敏感。而辣椒素则提取自辣椒。

实验反馈

在第一场实验中,科研人员调查了实验参与者触碰不同的化学物质,所产生的独立体感,以此来测试有效的化学物质。而在第二场实验中,科研人员继续验证了第一场试验中的发现。

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科研人员要求参与者们分别体验并对比,有化学体感反馈和没有化学体感反馈的VR场景,并评估两种体验的沉浸感。参与者们一致认为,化学体感增强了VR的沉浸感。

在这场实验中,科研人员总结了一些设计化学体感方案的经验:

  • 1,化学体感方案适用场景:一些缓慢变化的体感模拟(比如伤口刺痛加剧、升温等等),而不是快速变化的独立体感模拟体验;薄荷醇、肉桂醛、辣椒素最快也需要30秒才能起作用;此外,也适用于引导式冥想等场景;
  • 2,化学体感适用位置:建议开发者们根据接触化学物质的身体部位来调整浓度,因为不同的皮肤部分敏感度不同;
  • 3,化学物质的选用:建议优先考虑化学物质带来的主导体感,而不是能带来的复杂体感,也就是说先探索更纯粹的体感效果;
  • 4,确保安全性:尽量采用市面有售的安全成分,皮肤易过敏人群慎用;
  • 5,根据应用场景来选择合适的化学成分,体感反馈与视觉效果结合沉浸感更好;
  • 6,麻痹体感:1)让用户用手触摸麻木区域,最好是多次触摸;2)结合视觉提示;3)对比并突出麻痹的皮肤与正常皮肤之间的体感差异。

总之,科研人员发现与加热式的体感反馈方案相比,化学体感方案更省电,而且基于同一种硬件,通过替换化学物质,就能模拟多样化的体感。

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未来,还可以通过各种不同的方式来提升化学体感反馈的效果,比如:混合化学物质,模拟更加复杂的肤感,或者为体感反馈定制和设计化学物质。

不过,未来还需要考虑到化学物质接触皮肤可能产生的过敏等安全问题。目前,实验中使用的化学物质在市面上有售,它们安全性足够高,不过模拟体感的效果还不够好。参考:VRScout

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