利用空中超聲波控制圓盤與手指間的接觸位置，實現曲面和邊緣的觸覺再現

核心概念

該研究提出了一種利用空中超聲波輻射壓力控制圓盤傾斜度，進而改變圓盤與手指接觸位置，實現曲面和邊緣觸覺再現的方法。

摘要

研究目標：

本研究旨在開發一種輕巧簡便的觸覺回饋裝置，利用超聲波輻射壓力控制圓盤與手指的接觸位置，實現對曲面和邊緣觸感的模擬。

研究方法：

研究人員開發了一種超聲波驅動的觸覺圓盤裝置，該裝置由刺激圓盤、驅動圓盤和安裝部件組成。刺激圓盤與手指接觸並提供觸覺，驅動圓盤接收超聲波聚焦並驅動裝置，安裝部件則將裝置固定在手指上。通過深度相機追蹤裝置的三維位置，並利用空中超聲波觸覺顯示器產生超聲波聚焦，進而控制圓盤的傾斜度，改變圓盤與手指的接觸位置，實現對不同曲率曲面和邊緣觸感的模擬。

主要發現：

• 該裝置可以通過改變超聲波焦點的位置和移動速度，成功地再現了不同曲率曲面和邊緣的觸感。
• 與傳統的觸覺回饋裝置相比，該裝置更加輕便、簡潔，並且不需要直接接觸皮膚。

主要結論：

該研究提出了一種基於超聲波輻射壓力的新型觸覺回饋方法，為虛擬實境和其他需要觸覺回饋的應用提供了一種新的思路。

研究意義：

該研究成果有望應用於虛擬實境、遊戲、醫療模擬等領域，提升用戶的沉浸感和操作體驗。

研究限制和未來方向：

• 目前該裝置只能模擬單一方向的曲面和邊緣觸感，未來需要進一步研究如何實現多方向的觸感模擬。
• 該裝置的觸覺分辨率還有待提高，未來需要進一步優化裝置設計和驅動算法。

統計資料

刺激圓盤直徑為 15 毫米。
驅動圓盤直徑為 40 毫米。
該裝置使用 996 個 40 kHz 的超聲波換能器。

引述

"By presenting curved surfaces of various curvatures including edges to the fingertip, it is possible to reproduce the haptic sensation of object shapes that cannot be reproduced by flat surfaces alone, such as spheres and rectangular objects."
"In this paper, we propose a method of presenting curved surfaces by controlling the inclination of a disk in contact with the finger belly with acoustic radiation pressure of ultrasound."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Haptic Reproduction of Curved Surface and Edge by Controlling the Contact Position between the Disk and the Finger Using Airborne Ultrasound

by Aoba Sekiguc... 於 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05110.pdf

深入探究

除了模擬曲面和邊緣觸感外，該技術還可以用於模擬哪些其他類型的觸感？

除了模擬曲面和邊緣觸感外，這項基於空中超聲波技術的觸覺回饋裝置，還可以透過控制接觸位置和超聲波強度，模擬更多樣化的觸感，例如：

不同粗糙度的表面紋理: 通過快速且微小的改變超聲波焦點的位置，可以讓使用者感受到不同粗糙度的表面，例如光滑的玻璃、粗糙的砂紙等。
物體的軟硬度: 通過調整超聲波輻射壓力的大小，可以改變圓盤對手指的壓力，進而模擬不同軟硬度的物體，例如柔軟的海綿、堅硬的石頭等。
物體的溫度: 結合熱電效應，可以通過控制超聲波的參數來改變裝置的溫度，進而模擬不同溫度的物體，例如冰冷的冰塊、溫暖的皮膚等。
物體的重量: 通過調整超聲波輻射壓力的大小和方向，可以模擬不同重量的物體，例如輕盈的羽毛、沉重的啞鈴等。
需要注意的是，以上只是一些可能的應用方向，實際上可以根據具體需求和設計，開發出更多樣化的觸覺回饋效果。

該技術如何解決在虛擬環境中提供精確觸覺回饋的延遲問題？

在虛擬環境中，觸覺回饋的延遲主要來自三個方面：感測器數據採集延遲、系統處理延遲和觸覺裝置響應延遲。

感測器數據採集延遲: 指系統捕捉使用者動作所需的時間，例如使用者觸摸虛擬物體的時間。
系統處理延遲: 指系統處理感測器數據、計算觸覺回饋信號所需的時間。
觸覺裝置響應延遲: 指觸覺裝置接收到信號後產生觸覺刺激所需的時間。
針對這項基於空中超聲波的觸覺回饋技術，可以通過以下方式解決延遲問題：

優化系統架構: 採用高效的數據處理算法和硬件加速技術，減少系統處理數據和生成觸覺回饋信號的時間。
提高裝置響應速度: 由於超聲波輻射壓力的響應速度非常快，因此該技術本身的延遲很低。可以通過優化圓盤的材質和結構，進一步提高其響應速度。
預測使用者動作: 利用機器學習等技術，根據使用者的歷史操作和當前狀態，預測其下一步動作，提前計算觸覺回饋信號，並在使用者動作發生的瞬間立即輸出，從而有效減少感知延遲。

通過以上方法的綜合應用，可以有效降低觸覺回饋的延遲，提高虛擬環境的真實感和沉浸感。

如果將這種觸覺回饋技術與腦機接口技術相結合，會產生怎樣的應用前景？

將這種基於空中超聲波的觸覺回饋技術與腦機接口技術相結合，將帶來革命性的應用前景，尤其是在以下領域：

虛擬實境和增強實境: 可以創造更加真實、沉浸式的虛擬和增強實境體驗。例如，在虛擬遊戲中，使用者可以直接感受到虛擬物體的形狀、紋理、溫度等，大大增強遊戲的真實感和趣味性。
遠程醫療: 醫生可以通過遠程操控機器人進行手術，並通過觸覺回饋感受到手術器械與病人組織之間的交互作用，提高手術的精確度和安全性。
義肢控制: 可以讓義肢使用者通過腦機接口控制義肢的動作，並通過觸覺回饋感受到義肢與外界環境的接觸，讓義肢更像是身體的一部分。
情感交流: 可以通過觸覺傳遞情感信息，例如擁抱、握手等。結合腦機接口技術，可以讓使用者在虛擬世界中感受到真實的觸碰，增進人與人之間的情感交流。
神經康復: 可以通過觸覺刺激和腦機接口技術，幫助中風等神經系統疾病患者恢復受損的神經功能。

總之，將空中超聲波觸覺回饋技術與腦機接口技術相結合，將為人類帶來前所未有的體驗和應用，極大地拓展人類與虛擬世界以及與他人互動的方式。