0次浏览 发布时间：2025-04-08 09:56:00
虚拟现实（Virtual Reality）是利用计算机仿真技术生成的三维虚拟环境，用户通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等与环境中的物体或场景实现沉浸式体验和互动。虚拟触觉在人体表面显示压力、切向力和振动，从而允许用户与虚拟物体交互，感受其软硬、粗糙程度等特性，在沉浸式体验中扮演重要组成部分。
虚拟现实技术中的触觉显示设备如果像素密度低，则会出现以下情况：在显示连续运动物体产生的压力时，人们能够明显感受到触觉像素此消彼长的不连续感。然而，提高触觉像素密度意味着需提升触觉设备驱动器的密度，即对其小型化具有更高的要求。这在很大程度上制约了触觉像素密度的进一步提升。
近日，清华大学航天航空学院陈常青课题组提出了连续骨架增强（Continuity reinforcement skeleton，CRS）的虚拟触觉技术：在不增加触觉设备驱动器密度的前提下，在触觉设备驱动器表面设计一层插值结构来提升压力改变时表面形状的连续性和一致性，从而增强虚拟触觉显示。
梁是一种日常生活中十分常见的细长结构，其弯曲变形具有三阶连续的特点。课题组利用梁结构的上述特点，建立了评估触觉连续性的理论和骨架的设计准则，实现了对触觉像素间压力信息的插值和动态触觉显示连续性的增强。与基于像素的虚拟触觉不同，该设计对像素间缺失的触觉信息进行插值，将集中于像素点处此消彼长的压力转换为连续移动的压力，利用梁的弯曲变形特点在提供较高的局部支撑刚度的同时降低所需的额外驱动力，克服了先前技术利用完整平面进行触觉信息插值的两大不足，即对皮肤支撑力不足和对触觉设备驱动器负载要求较高（图1）。
课题组建立了连续性增强骨架与皮肤的接触力学模型，提出了骨架不垮塌的判别条件。利用皮肤对梁产生的分布力近似正比于梁的隆起高度的条件，获得了梁的材料和几何参数正常工作区域相图。在此基础上，实现了对不同硬度皮肤骨架所需的厚度等进行参数设计（图2）。
图2.触觉连续性增强骨架的力学模型
课题组还基于Unity开发平台，将虚拟环境与触觉显示相融合，展示了未来用户在虚拟空间中进行触觉交互的场景，运行于Meta公司生产的Oculus Quest 2头显上。当用户在虚拟空间中和另一个虚拟人物接触时，用户手指尖处的坐标会实时改变二维触觉显示器的表面形状，从而模拟出类似抚摸的连续触感。该系统的组成部分和工作方式如图3所示。
图3.触觉连续性增强骨架应用展示
相关研究成果以“增强虚拟现实触觉的连续性骨架”（Enhancing Haptic Continuity in Virtual Reality using a Continuity Reinforcement Skeleton）为题，于3月27日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学航院教授陈常青为论文通讯作者，课题组2021级博士生王鑫源为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金委重点项目和基础科学中心项目的支持。
近年来，陈常青课题组在力学超材料领域取得了一系列成果，包括可重编程机械逻辑超材料、类脑机械计算和具有信息编码和存储等能力的智慧型/认知型力学超材料。
来源：航院
来源：北京号
作者：清华大学
