大学|继AM封面之后，德克萨斯州A&M大学团队提出新型表面触觉技术
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2008 年 ， 美国国家工程院曾评选出 21 世纪 14 大科技挑战 ， 其中明确指出“虚拟现实技术亟待解决虚拟触觉反馈等技术问题 。 ”
当前 ， 人机交互的方式已从键盘、鼠标、屏幕等较为传统的设备逐渐扩展为包括触屏、可穿戴设备、头戴显示器、全息投影等各具特色的新型交互设备 ， 这些设备不仅可以提升人机交互的体验与效率 ， 在提供沉浸式体验方面也具有巨大的优势 。
其中 ， 基于摩擦力的表面触觉设备通过在触屏表面改变局部摩擦力 ， 以获取不同的触觉体验 ， 不需要用户携带额外的器械 ， 因此获得了广泛应用 。 然而 ， 现有的摩擦力调控表面触觉技术却存在着较为严重的技术局限 ， 限制了这类技术的商业化 。
近日 ， 来自美国德克萨斯州 A&M 大学的研究团队 ， 首次提出了利用触屏表面温度来改变表面摩擦力的新型表面触觉技术 ， 并且论证了温度改变手指表面摩擦力的内在机理 ， 为未来虚拟触觉技术的实现提供了更多的可能性[1] 。
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图 | 相关论文（来源：Science Robotics）
相关研究成果发表在 Science Robotics 期刊 ， 论文以《通过表面温度的变化对虚拟形状进行表面触觉渲染》（Surface haptic rendering of virtual shapes through change in surface temperature）为题 ， 目前就职于香港理工大学机械工程学系的助理教授马源为共同第一作者及通讯作者 ， 德克萨斯 A&M 大学机械工程系 Candidate 崔昌铉（Chang Hyun Choi）博士担任共同第一作者 ， 辛西娅·希普威尔（ M. Cynthia Hipwell）教授担任通讯作者 。
受橡胶等材料启发 ， 首次提出以表面温度调节手指摩擦力
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据马源介绍 ， 团队之所以会考虑到利用触屏表面温度来改变表面摩擦力 ， 是受到橡胶等材料摩擦力会随温度增大而提升的启发 。
“我们发现温度对摩擦力具有一定的调控作用 ， 因此我们思考这种调控作用是否可以作为新的表面触觉摩擦力调控方法 ， 从而为表面触觉领域提供一种新的可用技术 。 ”马源表示 。
首先 ， 该团队利用玻璃与加热元件设计了被部分加热的玻璃表面 ， 实测摩擦力后发现：在被加热的区域 ， 手指摩擦力会比未被加热的区域摩擦力更大 。
在此实验观测的基础上 ， 他们进一步设计了一系列摩擦学实验与心理物理学实验 ， 证明利用玻璃加热的方式的确可让用户在手指滑过表面时感受到并非真实存在的凸起 。
通过精细的建模 ， 团队发现导致摩擦力产生变化的成因有两个 ， 其一为手指皮肤粘弹性参数随温度的变化；其二为手指皮肤随其含水量提升而软化 ， 而且通过实验观测可发现 ， 手指皮肤含水量会随着接触表面温度的提升而提升 。
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（来源：Science Robotics）
最终 ， 在实验证实了技术可行性的前提下 ， 该团队通过模拟和理论分析 ， 确定了用户在 18℃ 温度差的范围内并不会感受到表面的温度提升 ， 却可以感知到虚拟凸起的存在 。
马源指出 ， 研究过程中较大的挑战在于 ， 虽然实验结果清晰地反映出了手指皮肤摩擦力会随温度变化 ， 但对于其机理的解释却比较复杂 。
为探索该机理 ， 研究团队先通过不同尺度的模拟和计算 ， 建立了理论模型 ， 再根据实验数据的拟合 ， 排除了包括界面剪切强度等对摩擦力影响较小的因素 ， 最终将摩擦力的变化归因于皮肤黏弹性模量随温度的变化以及手指含水量随温度的变化 。
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（来源：Science Robotics）
未来或将应用于元宇宙 ， 以提升其虚拟触觉渲染效果
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据悉 ， 现有的摩擦力调控表面触觉技术主要有两类 ， 分别为超声振动表面产生的摩擦力减小 ， 以及电粘滞效应产生的摩擦力增大 。
但这两种技术都存在一定的局限性 。 超声振动表面触觉技术需要振动整块或者大部分屏幕 ， 因此耗电量较大 ， 且不适于制作在大块屏幕上；电粘滞摩擦力调控技术需要在屏幕与手指之间建立强静电场 ， 在一定程度上与触摸屏幕的触觉输入系统相互制约 。 这两种技术通常都需要 100V 以上的电压进行驱动 。
与这两种技术相比 ， 基于表面温度的摩擦力调控手段显然在驱动电压、摩擦力调控效果等方面具有较为明显的优势 。
而且值得注意的是 ， “新技术可以和前两者进行融合 ， 进而拓宽表面触觉技术的能力范围 ， 使更复杂的虚拟形貌渲染成为可能 。 ”马源表示 。
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图 | 德克萨斯 A&M 大学机械工程系 Candidate Chang Hyun Choi 博士（来源：马源）
【大学|继AM封面之后，德克萨斯州A&M大学团队提出新型表面触觉技术】目前 ， 该团队正在申请针对该技术的相关专利 。
得益于信息时代和智能时代的蓬勃发展 ， 2021 年以来 ， “元宇宙”概念持续火热 ， 并迅速成为资本市场追逐的对象 。
不过 ， 在虚拟现实技术中 ， 想要达到良好的沉浸式体验 ， 需要对人类的视觉、听觉和触觉进行全方位模拟 ， 各类感官缺一不可 。 相比于相对成熟的显示技术和声学技术 ， 触觉反馈和触觉渲染技术仍然处于相对初步的技术探索阶段 。
而此项目所研究的技术 ， 则可在未来给元宇宙带来更好的虚拟触觉渲染效果 ， 使人们能够在触屏表面触摸到本不存在的按钮、指针、布料等虚拟物品 。
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图 | 目前任职于香港理工大学的助理教授马源（来源：马源）
据了解 ， 马源本科、硕士毕业于清华大学机械工程系 ， 博士毕业于美国加州大学伯克利分校 ， 毕业后在美国德克萨斯州 A&M 大学进行了三年博士后工作 ， 目前在香港理工大学机械工程学系任助理教授一职 。 其课题组研究领域包括表面触觉技术、可穿戴设备、人工智能算法的应用等 ， 且常年招收对人机交互界面 ， 尤其是其背后力学问题感兴趣的博士生、博士后 。
与此同时 ， 马源也指出 ， 目前该技术尚处于原理探索、验证阶段 ， 如何将其落地到实际应用中去是其和团队接下来会重点考虑的事情 。 未来 ， 团队会更加聚焦于屏下加热元件的阵列设计、控制等问题 ， 并对现有设备的整体热管理提出新的设计要求 。
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参考：
1. Choi C, Ma Y, Li X, et al. Surface haptic rendering of virtual shapes through change in surface temperature[J]. Science Robotics, 2022, 7(63): eabl4543.
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