折纸灵感，触感纸怎么做出来的

【技术前沿】

利用折纸技术实现触觉

中国科学家在虚拟现实交互领域取得重要进展

光明报记者金浩田光明报通讯员徐珊

说到元宇宙，或许大家最直观的认识就是VR眼镜只能在视觉上模拟现实世界。但让人没想到的是，古老的东方折纸工艺竟然走在了最前沿，实现了从虚拟到现实的重大突破。西湖大学江汉清团队提出并开发了全球首个“高保真主动机械触摸交互系统”，为虚拟世界带来了新的触觉维度。该研究成果近期发表于《自然-机器智能》。

利用折纸艺术，VR眼镜内的虚拟世界不仅可以看到、听到，还可以触摸。怎么会发生这种事？

“遥不可及”的扭曲“宇宙”

目前的VR交互仅提供视觉和听觉体验，呈现出只能远观不能触摸的虚拟空间。研究人员尝试了多种“解决方案”，其中大多数通过振动或压力补偿来创建“被动触摸”，例如振动手柄或触觉感应手套。然而，这些“触摸”就像你的手机突然振动，或者你坐在4D电影院突然感觉到座椅摇晃；所有的物理感觉都来自设备，而不是被动交互。我们提供独特的体验。 ——日常生活中开始的“触摸”远非如此。

—— 2021年，美国生理学家大卫·朱利叶斯和亚美尼亚裔神经科学家阿德姆·帕塔普蒂安因揭开触觉奥秘而获奖，听觉和视觉获得诺贝尔生理学奖。医学——及其秘密早在20世纪60年代就已被揭露，他们的目标是诺贝尔奖。

利用VR世界的星海

那么，尖端的VR 和虚拟世界如何被传统折纸艺术颠覆呢？

2021年姜汉清加入西湖大学后，他最早启动的课题之一就是柔性电子和软硬异质材料的研究，他首次提出了“折纸机超材料”的概念，并让世界知道了它。所谓“机械超材料”是指非自然形成而是人工构造的材料结构，材料的性能并不取决于分子或晶体结构本身，而主要取决于其精心构造的细节。 依赖于取决于。作品。

经过10年的“折纸研究”并感受到虚拟宇宙的活跃发展，江汉清萌生了将两者结合起来的想法。 “折纸的材质可能很软，但不同的折叠方式使得折纸结构非常坚硬。基于折纸结构的机器人可以随时调整其柔软度或硬度。”

为了消除当前虚拟现实交互的固有思维定势，江汉清创造了一个新概念，称为“主动触摸”——。与肩膀、胸部、臀部和背部等通常接受“被动触摸”的人体部位不同，人类的手和脚通常采取主动，通过主动触摸来感知物理世界。研究小组决定从“机械触摸”入手，模拟肢体主动触摸物体的感觉。

研究团队开发了一种“高保真主动机械触摸交互系统”，利用不同材料和尺寸的折纸模块构建两个不同尺寸的交互设备。一种是可以诱发局部触摸的手持设备，另一种是可以用脚触摸的设备。一种能够产生全身感觉的操作装置。当使用手持交互设备时，用户可以主动地把握和体验与其交互的不同物体的软硬度。使用脚踏式设备时，用户可以主动踩踏板来体验所操纵的不同物体的柔软度和硬度。该场所的环境地面特征以全身运动的形式相互作用。

这种主动机械触摸的实现是通过交互过程中硬件设备内部弯曲折纸结构的被动变形来实现的，在电机的配合下，弯曲折纸可以弯曲成不同的角度和尺寸。通过施力，它会给用户的手脚带来不同的“弹性”反馈。

向虚拟世界伸出一只小“手”

如果说本次研究最大的创意在于“折纸”，那么实现创意的最大挑战就是能够完美实现主动触控并融入有限空间的“——折法”。就像现实世界中的折纸一样，任何人都可以制作折纸，但只有富有创造力的艺术家才能捕捉到它的微妙之处。

在江汉清的实验室里，有一个“手持设备”——，形状像一个球，有五个位置，对应人类的五个手指，每个位置下面有两块“它由弯曲的折纸塑料片组成，这些塑料片交叉成“ X”形状。所有10个塑料片均由电机驱动，可以扭转不同角度，形成不同的“软硬度”。相应的脚踏板装置原理相同，但不同的是，脚踏板下面有很多钢板，排列成矩阵，通过拉动绳子，就可以改变折纸的弯曲角度，改变其刚度。

这些设备不包含昂贵或稀有的组件。 “手球”的塑料部分和“踏板”的钢制部分都可以在网上购买并更换为任何弹性材料。核心装置是一个弯曲的折纸，它会根据虚拟场景而变化。如果核心结构一致，您还可以放大或缩小与之交互的硬件设备。这意味着一旦找到合适的应用场景，有望快速推向生产市场。

作为研究的最后一步，该团队对人体的感官表征进行了“主观”用户研究和“客观”验证，包括肌电图和心率测量。在本次表情验证中，我们详细记录了虚拟冰面破裂时体验者心率的实际生理反应。就在这时，踏板突然落下，人们瞬间感到一种恐惧，生怕自己会从空中掉下来。因此，虚拟世界创造了现实世界的完美触感。

姜汉清团队的这项研究为虚拟现实交互提供了新的模式和体验，为超材料在虚拟宇宙中的进一步融合提供了指导，并提供了虚拟现实技术在娱乐、远程控制、医疗诊断等方面的应用，也有望扩张。它还广泛应用于其他领域，如治疗、康复等。

接下来，研究团队继续发现多模态感知，还原更完整的触觉，并在几何学方面，尝试将其与柔性电子器件相结合，实现主动和被动触摸的结合，我们正在努力。使用折纸来实现更大规模的体验并实现更大场景中的交互。 “比如我想在游戏中骑自行车，是不是可以直接从地上‘长’出一辆可触摸的自行车……”江汉清说道。

《光明日报》（版本04，2023 年6 月5 日）

来源：光明网-《光明日报》