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Ultraboard可以根據(jù)用戶手指的位置物理調(diào)整超聲波換能器陣列的相對位置，從而在手部運動的情況下提供均勻的觸覺強度

（中國AI網(wǎng) 2025年10月21日）VR中的裸手交互直觀、易學(xué)，適用于VR打字等基礎(chǔ)交互。但在執(zhí)行輸入時，缺乏觸覺反饋會降低空間意識和沉浸感，影響準(zhǔn)確性并增加疲勞。盡管以前的研究嵌入了觸覺反饋，但它們要么需要與皮膚持續(xù)接觸，要么需要安裝固定距離的裝置。

針對這個問題，韓國科學(xué)技術(shù)院團隊提出了Ultraboard。這種新穎的可穿戴觸覺界面為手部所有區(qū)域（包括指尖）提供超聲波懸空觸覺反饋。它們可以根據(jù)手部運動和位置自適應(yīng)控制相控陣的位置，為實時VR打字輸入提供一致的觸覺反饋。

通過仿真和實驗，設(shè)計并驗證了支持手部輸入的定制超聲相控陣。通過這一過程，團隊提出了手指級可穿戴超聲半空觸覺接口和系統(tǒng)的開發(fā)指南。一項后續(xù)的用戶研究顯示，Ultraboard在打字信心和可用性方面有了顯著的提高。值得注意的是，界面啟用了懸空觸覺打字警報，增強了VR打字時的用戶體驗。研究結(jié)果顯示出，利用懸空觸覺界面可以提高VR打字的信心。

VR環(huán)境中的裸手交互是一種直觀、用戶友好的交互方式。隨著Meta Quest 3S等商業(yè)化頭戴式顯示器的嵌入式手部追蹤系統(tǒng)性能的進步，自由手交互和手勢識別已成為執(zhí)行VR輸入（如VR打字）的主要方法。盡管如此，由于手部遮擋時潛在的追蹤丟失，用戶的手必須在攝像頭視場內(nèi)保持暢通。這限制了可用的工作空間體積，并限制了VR交互過程中的自然手部運動。

另外，缺乏觸覺反饋會導(dǎo)致用戶疲勞，降低交互的可用性。特別是，在懸空交互過程中缺乏觸覺反饋會導(dǎo)致臨場感和空間意識的降低。這會導(dǎo)致用戶高度疲勞，最終導(dǎo)致可用性下降。結(jié)合視覺和觸覺刺激可以顯著提高用戶的感知水平，在懸空交互過程中提供觸覺有可能提高用戶體驗和可用性。的確，用戶在執(zhí)行輸入時更喜歡手指的觸覺反饋，之前的研究已經(jīng)顯示出增強的沉浸感和真實感。因此，研究人員提出了各種各樣的觸覺設(shè)備，以提供逼真的感覺，同時最大限度地減少用戶的不適。

提供觸覺感覺的方法可分為基于接觸的和非基于接觸的觸覺。基于接觸的方法具有提供強觸覺反饋和精確定位的優(yōu)勢。然而，這些方法要么需要特定的手部姿勢，要么限制了使用時的運動范圍。另外，基于接觸的方法需要考慮適合各種人群的硬件，以保持舒適性和可感知的反饋。

相比之下，非接觸式懸空觸覺使用戶在沒有附加硬件的情況下可以更自由地運動。例如，AirWave支持使用空氣渦流環(huán)的非接觸式觸覺反饋。不過，盡管AirWave可以將觸覺反饋傳遞到特定位置，但它存在不準(zhǔn)確和延遲的問題。

非接觸式觸覺的另一種形式是使用超聲半空觸覺（UMH）。UMH利用聲波，在20°C下，以40 kHz的頻率產(chǎn)生精確的焦點，分辨率約為8.6 mm，控制延遲不明顯。另外，UMH支持渲染各種形狀和紋理。盡管UMH的強度不足以提供恒定的壓力，但足以支持振動或紋理等觸覺。這顯示了UMH作為一種多功能交互工具的潛力。

然而，由于超聲波換能器的機械特性（如指向性和尺寸以及超聲波的聲學(xué)特性），UMH在呈現(xiàn)觸覺反饋的有效體積尺寸方面存在局限性。具體來說，提供聚焦于特定點的觸覺效果需要在用戶和傳感器陣列之間保持一定的距離。先前的研究提出了通過增大陣列尺寸來擴大超聲換能器陣列的工作空間，使用機械臂來重新定位陣列，或者使用固定伺服電機來調(diào)整陣列方向。然而，相關(guān)方法依然需要將超聲波換能器陣列安裝在固定位置，這要么限制了工作空間的靈活性，要么需要過大的設(shè)備。

為了UMH的廣泛適用性和可用性，有必要開發(fā)一種不限制用戶移動或定位的新界面。可穿戴的外形使觸覺的傳遞不受空間限制。然而，確保穩(wěn)健的UMH性能需要的不僅僅是將固定的UMH接口轉(zhuǎn)換為可穿戴形式。由于新界面必須由用戶佩戴，因此最小化其尺寸以增強可用性至關(guān)重要。另外，它需要在整個手上提供可感知的反饋，包括適用性的手指。

在這項研究中，韓國科學(xué)技術(shù)院團隊提出了一種新的可穿戴觸覺界面Ultraboard，它可以根據(jù)用戶手指的位置物理調(diào)整超聲波換能器陣列的相對位置，從而在手部運動的情況下提供均勻的觸覺強度。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，他們首先模擬了聲輻射壓力，以確定適合可穿戴UMH的超聲換能器陣列的形狀和尺寸。然后，團隊確定了有效距離范圍，并開發(fā)了一種算法和系統(tǒng)來保持它。與以往專注于手掌感知的超高強度研究不同，研究人員進行了實驗，以確定指尖上可感知的最低超高強度。基于結(jié)果，設(shè)計了一個緊湊的界面，但能夠提供足夠強度的反饋，讓用戶能夠感知到。

團隊評估了VR打字的觸覺界面的性能。與傳統(tǒng)的基于固定超聲換能器陣列的系統(tǒng)相比，這一研究顯示了增強用戶體驗和擴展應(yīng)用的潛力。換句話說，他們提供了基本的指導(dǎo)方針，并作為將固定式UMH系統(tǒng)推進到可穿戴形式的基礎(chǔ)。

正如用戶研究結(jié)果所強調(diào)的那樣，降低可用性的主要因素是觸覺界面的重量。相控陣（120克）占總重量的40%，可以通過硬件改進來減少。首先，可以更換電流傳感器(MA404S；0.8 g)，較小的SMD型(MA40H1S；0.1 g)。盡管這一變化將使觸覺強度降低約25%，但將傳感器從直徑10毫米和高度7毫米減少到5.2毫米× 5.2毫米× 1.15毫米，體積減少約94.34%。另外，用于信號放大的觸覺驅(qū)動板可以小型化。通過將電壓放大器與陣列上的每個傳感器直接集成，將消除對單獨驅(qū)動板的需求。

同時，傳感器（28.5 g）和接口（45.3 g）板都是用厚度為1.6 mm的PCB制造。如果使用厚度為0.4 mm的輕質(zhì)PCB，并將所有連接器和引腳替換為直接布線，則總重量可減少約70%。不僅只是這樣，可以通過降低3D打印插座的內(nèi)部密度和使用輕質(zhì)帶來減輕重量。Ultraboard的舒適性和重量都在可接受的范圍內(nèi)。然而，上述方法進一步減少了重量，使其與市售觸覺手套（138克）相當(dāng)。

當(dāng)然，一個限制是觸覺渲染管道中伺服電機控制的精度問題，這需要研究改進伺服電機控制的方法。目前，相控陣的定位使用單個伺服電機，它沿著一個軸旋轉(zhuǎn)。通過引入額外的伺服電機，系統(tǒng)可以支持三個軸的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)手臂和手腕復(fù)雜的3D運動的精確對齊。

這將允許相控陣保持相對于焦點的有效位置和方向，即使相控陣尺寸最小，都能保持反饋質(zhì)量。由于更大的相控陣可以實現(xiàn)更緊湊和更小的焦點產(chǎn)生，因此需要進一步研究確定控制相控陣定位的機械設(shè)計與相控陣尺寸之間的有效平衡，以管理可穿戴UMH系統(tǒng)固有的權(quán)衡。這種方法還可以最大限度地減少由于個體解剖差異造成的可用性差異。除了硬件改進之外，團隊同時看到了與先進的觸覺渲染技術(shù)進行各種交互的潛力。例如，驅(qū)動多個焦點可以表現(xiàn)復(fù)雜的形狀，并進一步增強真實感。同時，不同層次的觸覺強度可以用來表示剛度。

為了將固定UMH推進到手指級別的可穿戴UMH，必須針對手指進行UMH感知研究并最小化設(shè)備的尺寸。因此，團隊模擬了不同形狀和大小的相控陣產(chǎn)生的聲壓，以確定有效焦距以及支持腕帶和手指特定反饋的相控陣。另外，他們進行了手指水平的感知研究，以確定指尖可感知的最小反饋強度，并驗證了其可行性。

相關(guān)論文：UltraBoard: Always-available Wearable Ultrasonic Mid-air Haptic Interface for Responsive and Robust VR Inputs

https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3723420.3723435

總的來說，Ultraboard是一種新穎的可穿戴觸覺反饋系統(tǒng)，旨在提供手指特定的UMH反饋。對于Ultraboard這種觸覺界面，無論用戶的手部運動或動作如何，它都能始終如一地向手指提供觸覺反饋。為了評估Ultraboard的主觀和客觀性能，團隊進行了一項涉及打字場景的用戶研究，而結(jié)果顯示了用戶信心和偏好的顯著提高，因為觸覺反饋為每次擊鍵提供了清晰的提示。

值得注意的是，新引入的糾錯互動顯著減少了糾錯時間，并被一些參與者認(rèn)為是有效的。結(jié)果表明，針對手指的觸覺反饋系統(tǒng)顯示出在懸空交互中提供有效反饋的潛力。這一研究結(jié)果為手指級可穿戴UMH界面和VR打字交互設(shè)計提供了設(shè)計和系統(tǒng)指導(dǎo)。團隊希望本研究為未來可穿戴UMH系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)，為更緊湊、更集成的可穿戴接口鋪平道路。