2022全球领先VR触觉技术创新：(2)柔性电子皮肤(上）
VR 交互不使用传统的物理输入技术，如键盘、鼠标、手柄或触摸屏等，而是通过触觉技术，使用户完成输入，以达到在虚拟空间交互中，能够再现触觉感受。
据国际著名技术研究与咨询公司Technavio 分析，预计 2021 年到 2025 年间，VR触觉技术市场增长将超158．4亿美元，年复合增长率高达15．96％。
图：Technavio的分析报告。
近年来，在全球崭露头角的一些最具创新性的VR 触觉技术，将会塑造行业的未来。
上周，维克多专栏已经介绍了英国格拉斯哥大学新近研发完成的气动触觉技术。
接下来，我们将分三篇系列文章，为大家介绍柔性电子皮肤触觉技术。今天带来该系列的第一篇：皮肤VR。
皮肤VR
一个以香港城市大学为主并联合了中外众多高校的研究团队，成功研发了一种柔性电子皮肤。项目负责人是年仅34岁的年轻中国学者香港城市大学生物医学工程系助理教授、博导于欣格。
柔性电子皮肤的灵感来自电影《头号玩家》。电影中，所有人生活在虚拟和现实之间。通过特殊的VR装备，人们可以控制游戏中自己的化身，进行赛车等各种各样的活动，甚至和其他角色进行亲密接触。于欣格认为，这类科幻电影中的场景同样能够成为现实。解决思路是利用柔性电子皮肤，制备一套触觉反馈系统，将传统的电子原器件轻薄化、小型化、可拉伸化，制成像皮肤一样的超薄可穿戴器件。于欣格团队据此开发了一种可以集成在人造皮肤上的无线触觉反馈系统，也被称作“皮肤VR”。
这项成果得到国际同行认可，论文《皮肤集成无线触觉界面在VR和AR中的应用》（Skin－integtated wireless haptic interfaces for virtual and augmented reality），在2019年11月20日《自然》（Nature）杂志上发表。
图：论文《皮肤集成无线触觉界面在VR和AR中的应用》
当下，虚拟现实（VR）与增强现实（AR）技术主要通过视觉和听觉刺激来创造体验。但比起眼睛和耳朵，皮肤是人体面积最大的感官系统，透过触觉感应外界环境，会产生更佳体验效果。 越来越多的研究者将电子皮肤视为让虚拟世界触手可感的突破口，但要实现这一目标并不容易，这对电子皮肤的材质、使用便携度、传感的精确度都是极大考验。
于欣格说：“我们的目标是研发出媲美真人皮肤的电子皮肤。与市面上同类设备相比，这个新系统十分轻薄，可以紧贴皮肤，而且不需要电线和电池。” 这套以电子皮肤为媒介的VR系统，集合了传感器、振动磁铁和无线发射装置，厚度小于3毫米，轻薄柔软，可以连接到身体任何部分，并将其转化为基于触觉的 VR 输入系统。皮肤VR的反应速度快得令人难以置信，在 Wi － Fi 环境下操作时，仅需要 350 微秒就能传达信号，比平均 550 微秒的人体自然反应还要快。
图：皮肤VR可直接贴在皮肤上。
皮肤VR，外观上酷似一块如同人类皮肤的、透气又可伸展的布料。它的表面以低模量的软硅胶覆盖，可以直接贴在皮肤上，也可轻易取下，还能以织物形式做成轻薄衣裳。
图：皮肤VR酷似透气且可伸展的布料。
轻薄的3毫米电子皮肤内，藏有层层装置与天线，为无线控制和充电系统提供了支援。
图：3毫米“皮肤”内的技术内容。
电子皮肤内有互相连结的“按钮”状致动器（actuators），每个致动器都接通射频天线，以无线方式传递信息和供电。致动器发出的振动频率以毫米计，只需1．75毫瓦功率便能诱发触感，仅需市面现有致动器功率的2％。配套软件一旦收到指令，就会迅速将讯息传递到致动器，使用者便可感到触感。
图：1．75毫瓦功率诱发传感。
通过无线操控电子器件，皮肤VR可产生机械振动。研究人员需要把振动频率调节在人容易感受的范围内，让人感觉到适当的触觉。
于欣格说，电影《头号玩家》中萨曼莎用手滑过韦德肩膀时，玩家感觉到的真实触感需要器件提供反馈。要想清晰获取手滑动皮肤的感觉，就要对器件的密度有更高要求。
2019年论文发表时，研究团队做到了在一块6×6英寸大小的皮肤VR中集成32个振动反馈单元。
图：在6×6英寸大小的皮肤VR中集成32个振动反馈单元。
一年后，在同样大小的皮肤中，振动反馈单元已从32个发展到1000个，这可以让使用者获得更多真实的触感。目前，研究团队已将单个反馈单元做到毫米量级，几乎达到了人体皮下触觉反馈器的分布极限，也就是说达到了人体分辨的极限，反馈的触感也便更为真实自然。
图：皮肤VR原理图示。
皮肤VR使用无线射频供电。致动器可以在一定距离内，通过外置的大型可活动天线，以无线射频方式取电。使用者身上的VR装置无需连接任何电线，可自由移动。还采用了特殊的电路电子设计，可以让VR系统在一个10平米的房间内无线供电。致动器采用了先进的机械设计，只需低于2毫瓦的功率就能引起明显振动。而一般直流电驱动的致动器，需要约100毫瓦的功率，才能产生相同水平的振动。为使用户在购买VR设备时，不必再买一个射频装备，开发第二代产品时，研究人员将VR设备的供电形式改成了充电式，以方便使用。
