增強虛擬現實中的虛擬食物咀嚼體驗
（中國AI網 2025年08月14日）盡管虛擬現實的觸覺界面已經得到了廣泛的研究關注，但VR中的面部觸覺甚少得到探索，特別是在虛擬食物攝入方面。在一項研究中，由香港城市大學和新加坡國立大學等組成的團隊介紹了VirCHEW Reality。這種面部佩戴觸覺設備旨在提供對面部的動覺力反饋，以增強虛擬現實中的虛擬食物咀嚼體驗。
VirCHEW Reality利用氣動驅動系統，控制空氣的膨脹和收縮過程，模擬食物質地的機械特性，如硬度、黏性和粘性。團隊通過三個用戶研究來評估這個系統。首先，一項just- visible difference （JND）研究檢測了用戶在咀嚼動作時，對不同程度的面部氣動動覺反饋的敏感度和系統能力。
在第一項研究中發現的用戶可區分的信號范圍的基礎之上，他們進一步進行了匹配研究，以探索設備提供的動覺刺激與用戶感知的食物質地之間的對應關系，而結果揭示了在咀嚼過程中模擬食物質地特性的能力（例如，硬度，黏性，粘性）。
最后，一項關于虛擬現實進食場景的用戶研究表明，與沒有觸覺反饋的情況相比，VirCHEW Reality可以顯著提高用戶對臨場感的評分。這一研究結果進一步強調了虛擬/遠程餐飲、醫療保健和沉浸式娛樂方面的潛在應用。
近年來，研究人員探索了各種各樣的觸覺設備來模擬真實世界的觸摸感覺，增強VR環境中的多感官體驗。在各種現實世界的經歷中，食物攝入/進食作為生存的基本活動脫穎而出，是日常生活中最常見的經歷之一。
在進食的過程中，從視覺外觀和芳香線索到我們手和嘴里的觸覺反饋，我們的體驗是由多種同時發生的感覺塑造的。通過人機交互（HCI）增強和模擬這些多感官飲食體驗，可能有助于通過更好的食物選擇改善健康，豐富社會互動和感官享受。
然而，由于反饋方式的復雜性，創造令人滿意的虛擬飲食體驗仍然具有挑戰性。業界已經探索了通過利用不同的模式來模擬或增強虛擬飲食體驗的不同方法，例如增強現實中的視覺疊加，舌上電刺激，下唇的熱反饋，咀嚼聲音，以及手持連接的動感反饋或基于干擾的代理等等。
然而，相關研究依然缺乏對具有運動反饋的可穿戴設備的探索。食物質地的感知（如硬度、黏性和粘性）是創建虛擬飲食體驗的一個關鍵但特別具有挑戰性的方面。食品質地包括流變學和結構屬性，而這主要是通過觸覺感受器感知?？谇坏挠|覺不僅有助于即時的感官愉悅，而且在塑造我們對食物質量和滿意度的整體感知方面起著關鍵作用。
為了模擬虛擬進食場景中的食物質地，有的研究人員提出對咀嚼肌、口腔組織或舌頭進行電刺激。然而，相關方法可能引起對衛生和使用者安全的關注（例如觸電）。或者，有的研究探索了跨模態相互作用，例如視覺面部變形或修改咀嚼聲音，以改變虛擬食物質地感知，但這些方法缺乏真實體驗所需的物理力反饋。
盡管現有的方法已經證明了食物質地模擬/修改的潛力，但我們尚不清楚力或動覺反饋如何促進食物質地渲染和增強虛擬現實中的虛擬進食體驗。
在一項研究中，由香港城市大學和新加坡國立大學等組成的團隊介紹了VirCHEW Reality（圖1）。這種面部佩戴的觸覺界面主要通過可控的氣動信號在VR中模擬食物紋理。當用戶移動下巴執行咀嚼動作時，氣動信號進一步提供面部力反饋。這可以模擬咀嚼過程中各種食物質地的機械特性。
團隊通過三個用戶研究來評估這個系統。首先進行了一項心理物理研究，以評估VirCHEW Reality產生的氣壓反饋的just- visible difference （JND）。結果表明，系統可以提供三個不同層次的力刺激，分別在張開和關閉下巴的階段。接下來的匹配研究表明，力刺激與真實食物質地在硬度、內聚性和粘性方面分別具有對應關系。最后，在VR進食場景中的用戶研究表明，與沒有觸覺反饋的情況相比，所提出系統在存在感方面的評分明顯更高。
為了評估VirCHEW Reality的性能，團隊進行了技術評估，重點是，脈沖寬度調制（PWM）信號與腔室壓力之間的相關性。具體來說，使用基于Arduino的傳感器系統（空氣壓力傳感器：XGZP6847A100KPGPN）測量占空比范圍為10%至80%的壓力水平，增量為10%。對于每個占空比值，記錄空氣室中的壓力，并在傳感器記錄的九次測量中取平均值。
根據記錄的數據，團隊實現了一組線性回歸模型（圖4），而它可以將PWM信號映射到相應的壓力水平。另外，研究人員評估了在達到三個參考壓力水平（10 kPa, 25 kPa, 40 kPa）時，系統對膨脹和收縮的響應時間。具體來說，他們評估了：膨脹/緊縮時間：觸發后從怠速狀態達到特定壓力水平所需的時間；恢復時間：氣室排入大氣后，系統恢復到空閑狀態所需的時間。結果表明系統可以快速達到實時交互的目標壓力水平。
當然，團隊坦誠當前系統存在一定的局限性。首先，所提出方法專注于固體/半固體食物，并且僅限于最初的咀嚼階段，忽略了質地感知隨時間的動態變化。未來的研究應該探索自適應力反饋，例如根據咀嚼強度或持續時間實時調節氣動壓力或紋理模式，以模擬食物從固體到半固體或液體狀態的逐漸轉變。
其次，參與者之間的感知差異，特別是在研究2中，指出了未來關于觸覺敏感性個體差異如何影響模擬食物質地感知的研究。另外，應該解決長期可用性問題，例如用戶疲勞、舒適和衛生問題，特別是考慮到在實際應用程序中長時間使用的可能性。未來的迭代應該優先考慮輕量化，符合人體工程學的設計，以盡量減少物理壓力，確保延長或重復使用的實用性和舒適性。
相關論文：VirCHEW Reality: On-Face Kinesthetic Feedback for Enhancing Food-Intake Experience in Virtual Reality
https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3721238.3730694
總的來說，VirCHEW Reality是一種面部佩戴的觸覺設備，可以提供對面部的動覺力反饋，以模擬咀嚼不同硬度，粘性和粘性食物的體驗。用戶研究表明，VirCHEW Reality可以產生不同程度的動覺力，可以進一步與不同的食物質地相匹配。更重要的是，系統可以顯著改善用戶在VR中吃虛擬食物的體驗。
研究結果強調了面部動覺反饋豐富虛擬用餐體驗的潛力，而這可能會在虛擬/遠程用餐、醫療保健和沉浸式娛樂中得到應用。
