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      專題欄目:ARVRMR虛擬現實

      34歲海歸博士攻克人機交互反饋難題,發明“皮膚VR”

      “Can you feel this?”

      “Um,yeah.”

      這是科幻電影《頭號玩家》中男女主在游戲里跳舞時的一段對話,盡管是在虛擬世界,男主韋德也能夠感受到虛擬女主對自己的觸摸。

      這主要得益于韋德身上的 X1 觸感套裝,穿上這套裝備,游戲世界里的一切觸覺都可以真實地作用在現實世界的韋德身上。在和女主跳舞時他甚至調侃 “I got the X1 haptic boot suit with microfiber crotch in that.”

      斯皮爾伯格通過電影讓人們看到了 VR 應用的更多可能性。但實際上,支持 X1 觸感套裝的背后技術在 2019 年就已經實現。

      這項被稱為 “皮膚 VR” 的虛擬現實技術是由海歸博士、香港城市大學生物醫學工程博士生導師、香港城市大學 - 中科院機器人聯合實驗室副主任于欣格團隊研發。

      據他介紹,皮膚 VR 是一套輕柔、類皮膚、無線的觸覺反饋系統,可將傳統聽覺和視覺的虛擬現實技術擴展為多觸覺的感知。

      簡單理解就是,通過皮膚 VR 技術,遠在一千公里外的親友只需要 “敲一敲” 手機屏幕,你就能真實感受到對方的觸摸。

      當然這只是其中一個使用場景,于欣格表示,不僅在社交通訊和娛樂領域,皮膚 VR 在生物醫療、健康、傳感等諸多領域上有著非常重要的意義。

      圖 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單入選者于欣格

      憑借該研究,于欣格入選 “35 歲以下科技創新 35 人”(Innovators Under 35)2020 年中國區榜單。獲獎理由是 “他開發的無線的電子觸覺反饋系統皮膚 VR,可以實現多觸覺感知,獲獎人的研究向業界展示了柔性生物電子的無限可能?!?/p>

      無線操控還原現實觸感,可產生類似手機振動的觸覺反饋

      通過無線操控電子器件,皮膚 VR 可產生機械振動的觸覺,僅在一個 6 乘 6 英寸的大小的皮膚 VR 中,就集成 了 32 個振動反饋單元。

      圖 | 具有 32 個獨立控制觸覺的設備示意圖(來源:于欣格)

      “我們利用皮下機械感受器的敏感性,把頻率調節在人體容易感受的范圍內,類似像手機振動就是明顯的觸覺反饋?!?于欣格說。

      經過設計后,每一個振動反饋單元可以被無線獨立控制,在其工作頻率下(200 赫茲)均為諧振模式,從而大幅提升了驅動效率,即反饋的及時性。

      觸感的問題解決了,那么如何實現無線操控呢?

      于欣格將目光瞄準了近場通信(NFC)技術,通過優化電子工程與電路設計,他實現了利用諸如手機、平板電腦和筆記本等觸摸屏界面,即可無線控制皮膚 VR 的觸覺驅動,并能將對應的形狀力度等觸覺感知信息傳遞到佩戴者身上。

      圖 | NFC 電子和電路原理圖

      目前,用在皮膚 VR 上的 NFC 通信工作距離可以延展到近 1 米。針對產品的外在形態,于欣格給出了兩種解決方案:一種是類皮膚形態,可以舒適地貼附在身體各個部位,低模量的軟硅膠可用于封裝和提供與皮膚間的粘附力,不借助膠帶或綁帶就能自由穿戴在身上;另一種是通過織物形式做成我們日常生活中穿戴的輕薄外衣,隨時穿戴在身上。

      “只要有需要,皮膚 VR 可以是任何形態?!?于欣格表示。

      圖 | 表皮 VR 設備在彎曲、折疊和扭曲(來源:于欣格)

      值得注意的是,皮膚 VR 無需電池驅動,采用無線射頻供電。而為了解決無線充電的距離限制,其團隊采用特殊的系列電路電子設計,目前已經可以實現 VR 系統在一個 10 平房間內的無線供電。

      可用于新冠監測,幫助醫護人員提升檢測安全度和精準度

      除通訊和娛樂的應用之外,皮膚 VR 在生物醫療、健康、傳感等諸多領域上也有著非常重要的意義。

      圖 | 皮膚 VR 的不同應用場景(來源:于欣格)

      于欣格列舉了皮膚 VR 與醫療結合的三個應用場景:

      一.醫療檢測。以目前的新冠檢測為例,于欣格認為如果將皮膚 VR 技術應用到新冠病毒檢測環節,將能大幅保障醫護人員檢測過程的高效性和安全性。

      現有的采樣機器人或采樣設備,雖然能在一定程度上保證醫患隔離,但在精準度及體驗感上很不好。如果醫生通過遠程控制搭載了皮膚 VR 系統的采樣機器人,完成遠程篩查采樣,那么采樣過程中 VR 系統就會對力度、精準度進行實時反饋,一方面可以提升醫護人員的檢測效率,減少其暴露風險;另一方面也可減少被檢測者的不適感。

      二.健康監測。通過皮膚 VR 可用于收集人體的健康生理信號的變化,通過采樣處理可以及時分析出佩戴者的健康狀況以及潛在疾病發作危險,進而通過如聲音、壓力等物理刺激通過皮膚電子驅動器把有用的信息施加給人體,實現人機交互在虛擬和現實場景中的完美融合。

      三.遠程手術。皮膚 VR 的反饋機制也為醫生實現遠程實時手術提供了技術支持。醫生在手術的過程中可以根據及時反饋來調整力度。

      四.知覺恢復。皮膚 VR 還可幫助殘疾患者通過佩戴義肢恢復受傷部位的感知。

      基于柔性傳感和反饋于一體的皮膚 VR 系統與醫療領域的結合還有很多的可能。于欣格預言,未來 3-5 年柔性電子技術將會有一個顛覆性的產品出現。

      傳感 + 反饋一個都不能少,打造人機交互完整閉環

      不同于傳統可穿戴電子皮膚更注重傳感功能,人機交互是目前全球可穿戴電子皮膚的研究弱項。于欣格認為,開發具有完整閉環的柔性傳感與反饋系統尤為重要。

      人機交互技術包括傳感器(sensor)和反饋器(actuator),傳感器用來感受外部信息,然后把信息以數字化形式體現出來,概括來說這是一個把敏感信號轉化成電信號的過程。日常生活中傳感器也很常見,包括溫度計,智能手環、智能手表等。

      反饋器則恰恰相反,其需要把接收到的電信號轉化成力學、熱學等其他形式。以觸覺反饋為例,當別人觸摸你身體的時候,你會做出反應如動作、語言、情緒等形式,這些反應發生的過程就是反饋信息的過程。

      “這就類似在游戲中,你的角色和別人對打,對方打你一下,你感受到了他傳遞給你的攻擊信息,并對這種攻擊信息作出反饋,你回打對方一下,這個有來有回的過程構成了一個傳感閉環?!庇谛栏衽e例說。

      但是,反饋過程中轉化形式的復雜性大大增加了對反饋器的技術要求,這也導致該領域研究一直停留在 “電刺激” 的階段,難以找到新突破。

      基于此,于欣格開發了無線、無源供電的超薄可穿戴柔性電子作為傳感和反饋界面,可應用在社交媒體、游戲、義肢控制與反饋等領域中。

      “意外” 攻克的柔性電子反饋難點

      2009 年,于欣格本科畢業于電子科技大學,后繼續在該校讀研,碩士階段主要從事光電子器件的研究。

      2011 年 - 2015 年,于欣格于美國西北大學開啟了博士生涯,期間主要從事柔性金屬氧化物的柔性化與大規模打印的研究。讀博期間,他提出了采用溶液打印法合成柔性金屬氧化物薄膜以及其柔性器件的制備,并實現了可媲美真空物理沉積的金屬氧化物半導體器件。

      隨后,于欣格赴美國伊利諾伊大學香檳 - 厄巴納分校從事博士后研究,在此期間他發現,柔性電子器件的特殊性能解決很多醫療問題,這也成為了他日后主要的研究方向。在此期間,于欣格首次將柔性病理探測鎮,用于人類肝癌惡化腫瘤的精準檢測與定位,大幅提升了腫瘤病理活檢的成功率。

      2018 年,于欣格回到中國,任職香港城市大學生物醫學工程系助理教授。在此期間,他發表了系列柔性電子技術相關研究論文,并被收錄在 Nature、Nature Communications 和Science Advances 等期刊上。

      回顧自己的研究之路,他坦言,“也說不上什么契機就開始研究柔性電子技術,只是發現研究這個領域的人很多,但大家好像都卡在反饋器這個環節上了?!?/p>

      這讓他看到了行業發展的難點,也看到了未來的機會。其表示:“只要解決了反饋這個技術難題,柔性電子技術將迎來巨大的增長空間?!?/p>

      說來也是巧合,一次在做傳感器的過程中,其團隊為解決市面上已有傳感器對特定系統不穩定、不適配的問題,決定重新開發一個新傳感器,這次團隊另辟蹊徑采用了比較傳統的機械震動方式做傳感器,后來在實際工作中顯示了這種 “古老” 的配置效果也還不錯。

      受此啟發,于欣格打開了思路,決定用同樣的方式做柔性電子的反饋器,結果就成了。這樣的 “意外” 其實與其長久以來深耕一線研究息息相關。

      關于未來,他透露自己將繼續沿著智能化柔性電子器件的方向深入,包括柔性傳感器與觸覺反饋器的開發與研究,集成化智能皮膚電子的設計與研究,以及這些器件在人機交互中傳感、反饋和通信等方面的系統研究。

      來源: DeepTech深科技

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