体感模拟领域的全新探索
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体感反馈技术，是通过外部设备来探索多样化的触觉模拟，原理是刺激皮肤的机械性感受器而产生体感。
而为了探索AR/VR中的体感应用场景，科研人员们曾研发多样化的方案，比如模拟力反馈、阻力、毛料质感，或是模拟环境变化，如风向、降温/升温等等。此前公布的一些方案，利用液体来改变皮肤接触到的温感，但这通常需要体积较大的液体储存装置和循环系统。
近期，芝加哥大学的科研人员发现，也许可以用化学物质对皮肤的刺激，来模拟VR体感。据悉，这是一种基于化学原理的体感反馈方案，特点是采用辣椒素、薄荷醇等常见的化学物质，通过外部刺激来模拟体感。
为什么探索化学体感
这组科研人员原本的目标是，将交互式设备与人体结合，比如研发小型力反馈方案等等。为了缩小体感反馈装置的体积，科研人员决定不采用大量的外部硬件（如外骨骼电机等）来模拟体感，而是通过更加简单的化学成分来欺骗人的生物反应，从内部引发体感反馈。科研人员表示：这种欺骗式的体感反馈，也许与我们更深层的生物机制密切相关。
科研人员表示：我们研发的方案有两种独特的优势。首先，它可以模拟触觉之外的一些体感，比如刺痛、麻痹等等。其次，它为体感模拟领域提供了一种新的选择，利用化学物质来省去笨重的机械设备（珀尔帖、震动模块、电触觉刺激系统等），也能实现多种不同的触觉。
常见的体感反馈装置，通常采用振动触觉模拟或力反馈技术。目前，市面更多的方案主要是模拟力反馈、压感、拉扯、震动、触感，而对于热度、疼痛的研究比较少，现有的相关技术只是通过加热元件或电驱动的触觉单元来实现。
相比之下，基于化学物质的体感反馈方案无需控制温度，只是用物质就能刺激皮肤的感受器，模拟体感。
此前，这组科研人员还在CHI大会上展示吸入式化学体感方案，当VR用户吸入化学物质时，可感受到模拟的冷、热温感。
方案细节
在这项科学研究中，科研人员用化学物品来展示不同的VR体感模拟场景。细节方面，科研人员在VR头显上固定了一个储存化学原料的系统单元，负责通过导管向面部输送模拟特定体感所需的化学品。该方案采用的导管和体感模拟装置基于柔性材质，因此更贴合面部，可接触到脸颊等不平整的部分皮肤。而手腕部分的体感元件则集成在臂环内，并利用微型泵和驱动器来输送化学液体。与此同时，臂环可以通过蓝牙与VR头显同步。
整个装备包括臂环、面部元件，可模拟物体接触皮肤的体感，模拟不同的温度，或是电火花打在皮肤上的刺痛感。化学体感设备的外层采用硅胶材质，其下方有绿色和蓝色的输液管，管子下方是使用者的皮肤。绿色的管道将化学液体从微型泵推出，并输入至蓝色管道，而蓝色管道是对皮肤开放的，允许液体与皮肤直接接触。接着，化学液体通过蓝色管道再次进入绿色管道，回到存储器中，这种臂环的设计可以循环利用液体材料，延长体验时间。
臂环是一种集成式的设计，它分为两部分，一部分包括液体管道，而另一侧则是电子元件，包括微型泵、驱动器和微型控制器。此外，还采用热敏电阻作为液体传感器，用于识别液体流入蓝色管道的过程。而VR头显下方的脸颊部分，也是采用相似的原理。
VR体感模拟场景
在科研人员设计的VR场景中，你将穿过一个走廊，这里发生了爆炸，造成你手臂上的装置出现故障，发出电火花。通过化学体感装置，科研人员可以在你的手臂上模拟接触电火花时刺痛的感觉，这种刺痛感来自于花椒素。除了花椒素外，也可以使用其他化学物质来模拟降温、加热、麻木、刺痛等不同的体感。
在图片中，你可以看到臂环中循环着一种蓝色液体，这些蓝色液体会通过输送管的开放部分接触并进入皮肤，触发皮肤对轻触的感知，形成一种刺痛感。
实际上，该方案通过手臂、脸颊上循环花椒素等化学物品，来对皮肤产生刺激。脸颊部分，则是通过VR头显下方的导管来传输薄荷醇来实现降温，模拟冬天下雪打在面部的感觉。此外，通过向面部输入辣椒素，可以模拟热感。
而为了在VR中模拟幻肢的感觉，科研人员则是用利多卡因来麻痹皮肤。利多卡因是一种表面麻醉剂，它的特点是可以屏蔽/减少体感反馈，当你用手按压被利多卡因麻痹的皮肤时，皮肤没有以往那么敏感。为了模拟受伤时皮肤的刺痛感，则采用了肉桂醛。
在下一个VR场景中，你将走进户外寒冷的山区，体感系统通过薄荷醇来刺激皮肤，产生清凉感来模拟降温。当你向右转时，会看到通往核反应堆的入口，这个核反应堆即将熔化。当你点击手臂装置来开门时，手臂再次产生故障，变成了幻肢。这时，系统为手臂注入利卡多因，麻痹手臂皮肤。
由于手臂装置出现故障，你只能通过手动杠杆来开启大门，开门后你走进了热气腾腾的反应堆室。这时候，系统为面部注入化学辣椒素，模拟发热的体感。
在另外一个VR场景中，你将虚拟的液体倒在手臂的伤口上，这时候为了模拟伤口的刺痛感，系统会注入肉桂醛，肉桂醛可触发多种感受器，模拟恶性的冷感、瘙痒和疼痛。
注：花椒素是一种提取自四川花椒的化学物质，薄荷醇则提取自薄荷，利多卡因是一种麻醉剂，通过抑制感觉神经造成麻木的体感，降低皮肤对触觉的敏感。而辣椒素则提取自辣椒。
实验反馈
在场实验中，科研人员调查了实验参与者触碰不同的化学物质，所产生的独立体感，以此来测试有效的化学物质。而在第二场实验中，科研人员继续验证了场试验中的发现。
科研人员要求参与者们分别体验并对比，有化学体感反馈和没有化学体感反馈的VR场景，并评估两种体验的沉浸感。参与者们一致认为，化学体感增强了VR的沉浸感。
在这场实验中，科研人员总结了一些设计化学体感方案的经验：
化学体感方案适用场景：一些缓慢变化的体感模拟（比如伤口刺痛加剧、升温等等），而不是快速变化的独立体感模拟体验；薄荷醇、肉桂醛、辣椒素最快也需要30秒才能起作用；此外，也适用于引导式冥想等场景；
化学体感适用位置：建议开发者们根据接触化学物质的身体部位来调整浓度，因为不同的皮肤部分敏感度不同；
化学物质的选用：建议优先考虑化学物质带来的主导体感，而不是能带来的复杂体感，也就是说先探索更纯粹的体感效果；
确保安全性：尽量采用市面有售的安全成分，皮肤易过敏人群慎用；
根据应用场景来选择合适的化学成分，体感反馈与视觉效果结合沉浸感更好；
麻痹体感：1）让用户用手触摸麻木区域，更好是多次触摸；2）结合视觉提示；3）对比并突出麻痹的皮肤与正常皮肤之间的体感差异。
总之，科研人员发现与加热式的体感反馈方案相比，化学体感方案更省电，而且基于同一种硬件，通过替换化学物质，就能模拟多样化的体感。
未来，还可以通过各种不同的方式来提升化学体感反馈的效果，比如：混合化学物质，模拟更加复杂的肤感，或者为体感反馈定制和设计化学物质。
不过，未来还需要考虑到化学物质接触皮肤可能产生的过敏等安全问题。目前，实验中使用的化学物质在市面上有售，它们安全性足够高，不过模拟体感的效果还不够好。
参考：
https://lab.plopes.org/published/2021-UIST-ChemicalHaptics.pdf
https://vrscout.com/news/researchers-use-menthol-to-simulate-cold-weather-in-vr/
本文来自微信公众号“青亭网”（ID:qingtinwang），编辑：Esther，36氪经授权发布。