推進虛擬現實中的觸覺反饋，潛在地實現更為身臨其境和逼真的虛擬交互

（中國AI網 2025年04月17日）在一項研究中，東京工業大學團隊介紹了一種增強虛擬現實中靈巧操作的新型觸覺裝置。通過刺激指甲兩側的機械感受器，所提出的輕量級系統模擬了切向力的感覺。

研究人員采用機械刺激來獲得更自然的觸覺反饋。初步的“平衡抓握挑戰”實驗表明，用戶使用設備進行了更頻繁的微調整，表明精度提高。這項研究旨在推進虛擬現實中的觸覺反饋，潛在地實現更為身臨其境和逼真的虛擬交互。

實現沉浸式虛擬現實體驗依然面臨著一個關鍵的挑戰：如何在虛擬環境中實現逼真的靈巧抓取。

靈巧操作是人類與物理世界互動的基本能力，VR缺乏這種能力，極大地限制了用戶的沉浸感和操作精度。為了解決這一缺陷，基于手的觸覺反饋設備已經成為一個重要的研究課題。然而，現有的觸覺設備往往又大又重，嚴重阻礙了用戶在虛擬環境中的活動自由。

所以，迫切需要開發輕量化、小型化的手部交互觸覺設備。更重要的是，設備不僅要小巧輕便，而且要向用戶的指尖提供觸覺反饋，以感知現實世界的感覺，從而在虛擬環境中實現精確的操作和自然的交互。

早前有人將致動器重新定位到指甲外側。然而，東京工業大學的目標是呈現更全面的觸覺信息，無需在指墊放置大型剛性驅動器，包括壓力，切線和基于物理的振動反饋。

在靈巧抓取過程中，切向力起著至關重要的作用。當我們抓握物體時，由于指墊皮膚的變形，指尖不僅能感知物體表面的垂直壓力，而且能感知物體表面的切向力，而這是精確控制和感知抓取狀態的必需項。然而，現有的嘗試重現切向力反饋的觸覺設備常常難以保持指墊的自由。

這不僅會影響用戶的舒適度，而且可能干擾現實世界的觸覺反饋。東京工業大學的重點是刺激位于指甲兩側的受體。

與電刺激相比，機械刺激產生的自然感覺更多，個體差異更小。團隊的目的是研究在指甲兩側施加機械刺激是否能有效地模擬切向力感覺，并潛在地增強靈巧操作。

所提出的設備結合了指甲側面的機械刺激和輕量化設計。他們建議使用機械刺激來SA-II受體。與現有的觸覺設備不同，它提供切向力反饋，不限制使用單個電機的指墊運動，并且可以與其他觸覺顯示器集成，從而在虛擬環境中實現更精確，更靈活的操作。

團隊選用PIC32單片機，它可以輸出多路PWM信號。微控制器接收來自PC的觸覺信息。他們將其與具有DRV8434e電流控制器的電機驅動器配對，使得能夠調節每個電機的輸出電流。為了顯示切向力，使用一個放置在指甲背側的無芯電機，如圖1所示。

這種結構具有兩個接觸點，目標是刺激位于指甲附近皮膚褶皺中的機械感受器。力的大小是通過調節電機轉矩來控制。另外，由于這種結構在撞擊指甲時會產生劇烈的碰撞，研究人員使用了減震材料來減少振動。與直接接觸物體表面的掌部皮膚機械感受器相比，指甲中SA-II感受器提供的力信號可能受接觸面幾何和紋理特征的影響較小。

所以，為了傳遞指尖壓力，研究人員采用了之前的結構，使用細導線來實現壓力和振動。這證明了切向力顯示結構很容易與其他觸覺顯示集成。

實驗請來了3名被試進行實驗，以評估切向力在基于物理的手部操作中的有效性。實驗利用了一個反饋模式，當手指墊在平面上從右向左滑動時，指甲的左側會受到壓縮，而當指尖從左向右滑動時，指甲的右側會受到壓縮。

這項任務可以描述為“平衡抓取挑戰”，被試需要用拇指和食指拿起一個放在非水平表面上的小矩形塊，并盡可能將塊保持在水平位置。這意味著抓握后要保持長邊與地面平行，避免明顯的傾斜。

在這項任務中，被試在拇指和食指佩戴裝置，系統會實時記錄積木的傾斜角度。實驗分切向力觸覺開啟和關閉兩種情況進行。

結果表明，在切向力反饋下，三名被試在執行任務時都表現出多次小的、重復的調整動作，如圖2所示。

相關動作表現為手指在抓握和保持物體時的周期性、平滑的微調整。當觸覺功能禁用時，這種現象沒有觀察到，這表明被試可能一直在使用觸覺信息來進行更精確的控制，而不是僅僅依靠視覺線索。然而，目前的實驗結果可能反映了被試對觸覺反饋的適應，而不是真正的精細運動控制。觸覺反饋是否能準確模擬人類的觸覺感知尚需進一步的研究。

相關論文：Fingernail-Based Tangential Force Simulation for Enhanced Dexterous Manipulation in Virtual Reality

總的來說，團隊介紹了一種新的觸覺裝置來模擬指甲上的切向力，而這有可能增強虛擬現實中的靈巧操作。初步實驗表明，這種方法可以通過微調整實現更精確的對象控制。

在未來的研究中，研究人員的目標是研究所述裝置是否可以提高基于物理的操作效率，并找到在多個方向顯示切向力的解決方案。他們計劃增加被試的數量，并測量定向感知是否與預期一致。隨后，將使用基于物理的任務來定量評估定向觸覺反饋是否增強了用戶識別能力。

當然，所述裝置依然具有有限的自由度，不能在所有平面方向呈現觸覺反饋。未來的研究將集中在使用線性致動器沿著近端和遠端軸推拉指甲。