假想關節與肌肉

（中國AI網 2025年09月01日）諸如第三只手臂或尾巴等擴展身體部位，有潛力為用戶提供新的身體體驗和能力。在一項研究中，東京大學和薩爾大學團隊提出了一種特殊的方法，通過引入“假想關節與肌肉”的概念，使用戶能夠在不依賴視覺的情況下，直觀地感知此類擴展身體部位的姿態和運動。

所提出方法通過皮膚拉伸，基于扭矩信息提供本體感覺反饋。具體來說，在用戶身體與擴展身體部位的接口處放置一個“假想關節”，關節周圍的皮膚會根據擴展身體部位的運動而被拉伸或壓縮。這使得用戶能夠以一種接近先天本體感覺的方式感知運動。系統計算擴展部位運動所需的扭矩，并將其反饋給用戶，這使得所述方法可廣泛應用于多種場景。演示表明，用戶可以直觀地感受到多個擴展部位和各種場景，這突顯了所提出方法的廣泛潛力和多功能性。

近年來，增加額外肢體、手指或尾巴的“擴展身體”技術因其在VR/AR等領域提升人類能力、輔助任務和豐富體驗的潛力而受到關注。通過引入新的身體功能，如第三只手臂，這種技術可以彌補喪失的功能、改善多任務處理并擴展創造性表達。

一個關鍵挑戰在于提供自然的本體感覺反饋，使用戶能夠像感知先天肢體一樣感知這些人造部位的姿態和運動，而非僅僅依賴視覺線索。先前的研究曾使用振動來傳遞末端執行器的位置，但這種模態與真實的本體感覺存在顯著差異。盡管神經電刺激可以利用現有的神經通路用于假肢應用，但它不太適用于原本不存在的身體部位。

在研究中，東京大學和薩爾大學介紹了的系統可以在用戶與擴展肢體之間的接口處創建一個“假想關節”，利用皮膚拉伸來模擬扭矩并喚起“假想肌肉”的感覺。系統的靈感源于先前關于在殘肢中使用皮膚拉伸反饋來傳遞假肢姿態感的研究。通過計算每個動作所需的力并通過皮膚拉伸傳遞，用戶可以更自然地感知擴展肢體的姿態和運動，從而減少對視覺的依賴。演示突顯了該方法的廣泛適用性，有望在擴展身體場景中提供更直觀和沉浸的體驗。

系統根據擴展身體部位的運動，計算應在該部位根部產生的扭矩，并將該扭矩以皮膚拉伸的形式傳遞給用戶。團隊考慮了兩種操作模式——被動模式和主動模式——以適應虛擬身體部位可能運動的各種場景。最終扭矩值通過一個非線性、單調遞增的函數進行映射，其中函數考慮了用戶對皮膚拉伸的敏感度。

被動模式假設用戶允許擴展部分被動運動，例如尾巴隨臀部運動而擺動。他們使用彈簧-阻尼系統來近似該運動，其中振動會隨時間收斂。設??為偏離平衡位置的角度，??和??為比例常數。基座施加的扭矩??由下式給出：?? = ????? ? ????? 。

盡管質量??或轉動慣量??等慣性項未明確出現在此公式中，但??隨時間的變化反映了擴展部位的重量。當擴展身體因外力（如碰撞或其他用戶的互動）而發生位移時，不精確計算所有外部扭矩，而是為用戶提供一個旨在使擴展部位恢復初始位置的恢復力。

主動模式則用于用戶主動控制擴展部分的情況。例如，當它通過運動映射抓取或操控物體時，或當預定義動畫驅動其運動時。在此模式下，考慮該部位的轉動慣量??。令????????????代表外部扭矩，例如來自擴展部分所抓握物體的扭矩。扭矩??由下式給出：
?? = ????? ?????????????。 通過計算每個動作的最終扭矩并通過皮膚拉伸進行反饋，用戶能感受到對應于內部力和外部交互的類肌肉感覺。

相關論文：Imaginary Joints and Muscles: Torque-based Proprioceptive Illusions for Extended Body Parts via Skin Stretch Feedback

https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3721257.3734036

與其他方法不同，系統可廣泛應用于用戶身體上幾乎任何有皮膚存在的區域。“假想關節”的隱喻適用于任何控制方案，并能與物理模擬、關鍵幀動畫以及基于映射的擴展肢體控制無縫集成。通過使用這種隱喻而非僅僅是信息反饋，它為用戶提供了更直觀、自然的運動感覺。

在演示中，用戶主動或被動地操控第三只手臂、尾巴或翅膀，通過假想的本體感覺線索體驗這些運動。特別值得注意的是，即使閉上眼睛，用戶都能感知擴展部位的大致施力和位置，這表明所述方法具有實現更直觀交互和減少對視覺反饋依賴的潛力。