西湖大学：首次开发可触摸的元宇宙

可触摸的元宇宙——5月30日，西湖大学发表最新虚拟现实交互领域研究成果，在国际上首次提出并开发了“高保真主动机械触感交互系统”，为元宇宙带来了全新的触觉感知维度。

伦敦时间5月29日16:00，Nature Machine Intelligence（《自然-机器智能》）在线发表了西湖大学姜汉卿团队的该项研究成果“Active Mechanical Haptics with High-Fidelity Perceptions for Immersive Virtual Reality”。

澎湃新闻（www.thepaper.cn)从西湖大学了解到，这项研究借鉴了古老的东方手工技艺“折纸”，这意味着他们借鉴折纸艺术，让VR眼镜里的虚拟世界不仅可见、可听，还可“触摸”。

众所周知，当前的VR交互，仅可提供视觉与听觉体验，呈现的是一个仅可远观、却无法触碰的虚拟空间，而触觉恰恰是人类获得主体感的关键——在人类的五感（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）中，视、听觉在信息接收方面居于主导地位，味、嗅觉处于辅助地位，触觉则居于根本地位（我们据此获得物主感，这是区分主体和客体的关键）。

研究者们曾经尝试过很多种“解决”方案，大多是通过震动或压力代偿创造“被动触感”：例如具有振动功能的手柄；柔性电子科学家、西北大学John Rogers院士发明的可以贴在皮肤上的振动马达；以及Meta在2021年发布的触觉感知手套，通过气囊压迫给予用户抓取物体时的触感……然而，这些“触感”就如同你的手机忽然振动了一下，或者是坐在4D电影院里突然感受到座椅的晃动，你的体感都是由设备出发、给予你一种被动的交互体验，距离日常生活中真实的、由人类主动触发的“触觉”还差距甚远。

最前沿的VR和元宇宙，怎么会因为传统的折纸艺术而破局？

澎湃新闻了解到，姜汉卿在2021年6月结束了在美国亚利桑那州立大学十五年的任教，正式加盟西湖大学。在西湖大学，他最早启动的课题之一就是柔性电子与软/硬异质性材料研究，即“折纸机械超材料”。这指的是并非自然形成，而是人为构造的材料结构，材料的性能不依赖于材料的分子结构或者晶体结构本身，主要依赖于其精巧的构型里面的结构细节。

“折纸材料可能很软，但是依赖于不同的折叠方式，折纸结构又会变得很硬，基于折纸结构的机器人，就可以随时调节软硬程度。”姜汉卿萌生了把“折纸”和元宇宙结合起来的念头。

摆脱当前虚拟现实交互的固有思维定式，姜汉卿创造了“主动触觉”这个新概念——不同于肩、胸、腰、背等人类身体通常接收“被动触觉”的部位，人的手和脚通常是主动出击，通过主动触摸去感知物理世界。研究团队选择从“机械触感”（即刚度，物品的软硬触感）入手，模拟手和脚主动触摸物体时的感觉。

高保真主动机械触感交互系统的局部结构

他们研发了一套“高保真主动机械触感交互系统”，利用不同材质、不同尺寸的折纸模块搭建了两种不同维度的交互装置：一种可引发局部触感的手持式装置,与一种可以产生全身体感的脚踏式装置。在使用手持式交互装置时，用户可通过主动抓握，体验其所交互的不同物品的软硬程度；在使用脚踏式装置时，用户则可通过主动踩踏，以全身运动的形式体验其所处的环境地面特性。

 这种主动机械触感的实现，正是源于硬件设备内部曲面折纸结构在交互过程中、由用户主动触发的被动变形——在电机的配合作用下，曲面折纸能弯曲成不同的角度，也会产生不同大小的反力，从而给予用户手足不同的“弹性”反馈。

这种触觉的变化传递给大脑，大脑就会根据“软硬”做出判断：抓到的是棉花，是木板，还是钢球……如果把手换成脚，大脑同样会根据脚所传递的刚度反馈，来判定人是走在马路上、草地上，还是踩在冰上……由此，在元宇宙的虚拟世界中，就可以实现“所见即所触，所处即所踏”。

据西湖大学介绍，接下来，姜汉卿研究团队将继续寻找多模式的感知、还原更完整的触觉，在形态上，他们正在尝试和柔性电子整合，实现主动触觉与被动触觉的结合，以及努力用折纸实现更大尺度的体验，在更大的场景中实现交互。