熱反饋裝置
（中國AI網 2025年07月04日）在增強現實中，數字內容可以疊加現實世界視場。逼真的熱反饋已證明可以增強沉浸感。然而，目前的熱反饋設備對沉浸在AR中無效。為了彌補這一差距，美國范德比爾特大學團隊確定了與AR熱反饋相關的三個設計考慮因素：保持靈活性的間接反饋，保持真實世界溫度感知的熱傳遞，以及動態感覺的時空渲染。
然后，研究人員創造了一個獨特而創新的熱反饋裝置。評估感知靈敏度、物體溫度匹配、空間模式識別和移動熱刺激的人類受試者實驗證明了設計的影響，實現了真實的溫度區分、虛擬對象感知和增強的沉浸感。相關發現表明，精心設計的熱反饋系統可以彌合物理和虛擬交互之間的感官差距，增強AR的真實感和可用性。
熱感覺經常被認為是理所當然的，而在虛擬現實和增強現實等沉浸式合成環境中，它在實現逼真的體驗方面發揮著至關重要的作用。準確傳達冷暖感覺可以顯著增強用戶的存在感、交互性和沉浸感。隨著沉浸式技術（尤其是AR）在包括教育、勞動力培訓和工業流程在內的各個領域變得越來越普遍，對這種增強沉浸感和用戶整體體驗的方法的需求正在迅速增長。
應用的有效性在很大程度上取決于它們的真實感。通過培養對特定場景的沉浸感，沉浸式技術鼓勵持續的注意力、可用性和用戶享受。準確熱反饋的關鍵作用直接源于我們日常生活中不可或缺的熱線索。日常的互動，比如拿著熱飲料或抓著冰冷金屬欄桿等，深刻地塑造了我們對安全、舒適和材料識別的看法。
這種日常體驗是由皮膚中的熱感受器介導的，它檢測溫度變化并啟動快速的行為反應。皮膚溫度和環境刺激之間的持續相互作用對于解釋表面特性、檢測溫度梯度和體驗不同環境之間的轉換必不可少。將這種感官體驗有效地整合到沉浸式技術中可以顯著提高真實感和用戶粘性。
所以在這項研究中，美國范德比爾特大學團隊提出了一組三個設計考慮，以用于開發沉浸式增強現實體驗的熱反饋技術。相關考慮因素意味著在開發AR設備時需要牢記的額外功能或限制。前兩個考慮因素涉及最大限度地減少熱反饋設備對用戶與物理環境交互能力的影響。最后一個考慮詳細說明了研究人員認為必要的附加功能，以允許環境的虛擬元素自然地與用戶的物理環境融合。
利用間接反饋
結合真實溫度的熱傳遞
提供熱感覺的時空渲染圖
然后，他們提出并評估了一種滿足所有三個考慮因素的新型可穿戴熱反饋設備（圖1）。設備是由一組創新的熱電模塊（tem）組成，排列在手掌上的3x3網格中。每個模塊都作為一個獨立的熱泵，能夠獨立調節其溫度，以呈現空間和時間變化的熱模式。
將10kΩ熱敏電阻熔接在每個TEM的活性表面進行閉環控制。每個TEM -熱敏電阻組件安裝在10mmx10mm的鋁板之上，并嵌入柔性硅基內，內部水冷卻通道通過管理鋁基板的溫度來防止熱量積聚，并作為散熱器。在硅膠底座的外表面上有一個3 × 3的熱敏電阻陣列，使得設備能夠測量接觸表面的溫度。之所以選擇將設備安裝在用戶的手掌，是因為團隊相信手掌是滿足設計考慮1的主要候選者。
手掌靠近手指的接觸面，可以直接接觸虛擬物體本身，并提供一個相對較大的表面積來呈現熱感覺。另外，最近的研究已經調查了手掌的敏感性，并表明它足以用于熱提示。利用手掌的大表面積，將一組6.5mmx6.5mm的熱電模塊（CUI Device CP076581-238P）組合在一個3x3網格中，間距為18mm。
以往的研究表明，這種多致動器設計是一種可靠的熱繪制方法。單個模塊封裝在柔性硅基中，這種材料因其優異的機械靈活性和生物相容性而被選中。材料的靈活性和輕盈性使得設備可以在用戶探索周圍環境時不顯眼地佩戴在手掌上。他們使用兩部分模具制造工藝來創建內部水冷卻通道，目標是將熱量從TEMS中分散出去，以避免在重負荷或持續運行時由于熱損失而降低效率。
另外，通過緊貼用戶手掌，設備的靈活特性使陣列能夠根據每個用戶手掌的獨特輪廓，從而促進有效的傳熱。通過一系列人體實驗（N=12），團隊發現，針對手掌的熱敏區域進行間接反饋，可實現真實世界溫度的傳遞，并呈現溫暖或涼爽的時空模式，從而增強AR體驗的沉浸感。
第一個人體實驗測量了設備的JND，驗證了其提供足夠熱反饋的能力。在第二個實驗中，參與者與真實和虛擬對象進行交互，驗證了將溫度系統整合到設備中以呈現熱特性的實用性。他們測量了在真實和虛擬對象之間識別相似/不同溫度的準確性，并從參與者那里收集了開放式反饋。
團隊通過兩個實驗來評估時空渲染的影響。首先，通過要求參與者區分使用設備熱陣列呈現的一對對熱模式，評估了識別離散空間模式的能力。最后，為了驗證移動時空模式的顯示能力，將設備整合到AR體驗中，而體驗后問卷收集了使用體驗和感知熱運動真實感的定性數據。實驗的結果不僅證明了新設備能夠滿足所有額外的AR設計考慮，而且提供了定量和定性數據，表明滿足額外的標準會帶來更現實和身臨其境的AR體驗。
相關論文：Immersive and Wearable Thermal Rendering for Augmented Reality
https://arxiv.org/pdf/2503.20646
總的來說，團隊為MR/AR中的熱反饋設計了一套考慮因素，目標是促進未來用于MR/AR體驗的熱反饋設備的開發。研究人員創建了一個定制的可穿戴熱反饋設備，并進行了多個實驗，而結果證明了所提出的觸覺設備滿足了設計考慮因素，并為用戶帶來了身臨其境的體驗。
展望未來，設備設計的持續改進和其他設計考慮因素的確定，以及更大規模的測試，可能會進一步證實相關發現，并為MR/AR中的熱反饋開辟新的用途。
