编辑推荐：
在虚拟现实（VR）中，触觉显示对沉浸体验至关重要。现有基于像素的触觉设备在显示连续接触运动时存在信息丢失、不连续的问题。研究人员开展了关于连续性强化骨架（CRS）的研究。结果表明，CRS 能增强触觉连续性，提高触觉显示质量，对 VR 技术发展意义重大。
在科技飞速发展的今天，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术逐渐走进人们的生活，被广泛应用于教育、医疗、娱乐等多个领域。想象一下，戴上 VR 设备，人们仿佛置身于另一个世界，不仅能看到逼真的场景，还能通过触觉感受到周围物体的存在，这种沉浸式体验是 VR 技术追求的目标。然而，当前 VR 触觉显示技术却面临着严峻的挑战。
大多数基于像素的触觉设备在显示连续接触运动，如抚摸、物体形状探索等动作时，像素之间的触觉信息会丢失，导致触觉体验不连续，就像在触摸物体时，感觉手指下的触感是一跳一跳的，无法真实地模拟连续的触摸感受。而且，在薄型可穿戴设备中，触觉元件的行程距离和像素尺寸之间存在着难以平衡的矛盾，单纯增加像素密度并不能有效解决问题，反而会使系统变得复杂，还会降低驱动行程。例如，为了达到理论上完全恢复触觉所需的像素密度，单位面积内的像素数量要远超目前可实现的水平，同时减小像素尺寸还会使材料应变急剧上升，受到材料最大伸长率的限制。
为了解决这些难题，清华大学的研究人员开展了一项关于利用连续性强化骨架（Continuity Reinforcement Skeleton，CRS）提升虚拟现实触觉连续性的研究。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为 VR 触觉显示技术的发展带来了新的曙光。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在设备构建方面，通过 3D 打印和激光切割技术制作 CRS 装置，3D 打印用于构建整体结构，激光切割则精准加工不锈钢梁。利用数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）方法测量位移，该方法能精确获取表面位移信息，以量化触觉显示的效果。此外，结合 VR 技术搭建视觉 - 触觉集成系统，实现触觉与视觉的融合交互测试。
下面来看具体的研究结果：
- 一维（1D）CRS 装置及连续性量化：研究人员设计了一种一维 CRS 装置，由五个可独立调节高度的像素和一根 0.1mm 厚的钢梁组成，像素通过钓鱼线与钢梁相连。通过定义形状失真（DS）和峰值位置失真（DP）来量化连续性。实验测量结果表明，CRS 装置的DP和DS均低于仅像素显示和线性连接的装置，尤其是DP比后两者低一个数量级。这意味着 CRS 装置在显示触觉信息时，能更准确地还原理想波形，减少失真，提升触觉连续性。
- CRS 的机械模型：构建了 CRS 的机械模型，将与皮肤类似的弹性体简化为 Winkler 地基。通过分析得出梁不发生坍塌的条件为Δ=27βd416π4EI>1 。满足该条件时，梁在受压时不会坍塌，且较薄、杨氏模量较大的梁更符合设计要求。实验验证了该条件的正确性，有 CRS 时弹性体的变形场更连续，而无 CRS 时变形集中在像素周围。这一机械模型为 CRS 装置的设计提供了理论依据，确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。
- 二维（2D）CRS 装置：二维 CRS 装置包含 19 个可独立控制的六边形内部像素和 18 个边界伺服电机。该装置能够显示非可展曲面，在显示目标波形时，相比无 CRS 的情况，能更接近目标形状。通过定义二维情况下的DP和DS，实验结果显示 CRS 可使形状和位置失真降低一半，进一步证明了 CRS 在二维触觉显示中的有效性，能为用户提供更精确的触觉反馈。
- 视觉 - 触觉集成虚拟现实与 CRS：将 CRS 与视觉 VR 相结合，创建了沉浸式体验场景。在 VR 环境中，当手指在特定区域移动时，2D CRS 装置能实时显示跟随指尖的凸起，并根据手指压力深度控制幅度。例如，在书写数字 “9” 时，装置能显示书写轨迹。实验表明，CRS 装置可将数字识别准确率从 69.9% 提高到 84.7%，即使在数字尺寸接近像素间距的极端情况下也有良好表现。此外，研究人员还构建了弯曲的 CRS 装置，验证其在弯曲表面上也能正常工作，为将 CRS 应用于人体曲面提供了可能。这一系列实验充分展示了 CRS 在提升 VR 交互体验方面的巨大潜力，使虚拟世界中的触觉感受更加真实、自然。
研究结论与讨论部分指出，CRS 通过物理驱动的触觉信息插值，在不增加像素密度的情况下，显著增强了平面和曲面上形状运动的连续性。其关键在于利用像素引导梁的屈曲，使波峰能在像素间隙的任意位置静态或动态显示。CRS 结构简单，易于小型化，可与各种现有基于像素的触觉显示器结合，还能与更高像素密度的触觉设备配合，描绘更精细的形状，扩大触觉反馈区域。同时，研究人员也提出，未来的研究可以聚焦于显示更高像素密度、切向力、振动和温度等，以实现更完整的触觉信息显示，进一步提升 VR 体验。
总的来说，这项研究成果为虚拟现实触觉显示技术带来了重要突破，CRS 有望推动多模态触觉显示和 VR 技术的发展，在远程沉浸式通信、虚拟医疗手术模拟、虚拟设计与制造等领域具有广阔的应用前景，让人们在虚拟世界中的触觉体验更加真实、丰富，为 VR 技术的发展开辟了新的方向。
下载安捷伦电子书《通过细胞代谢揭示新的药物靶点》探索如何通过代谢分析促进您的药物发现研究
10x Genomics新品Visium HD 开启单细胞分辨率的全转录组空间分析！
欢迎下载Twist《不断变化的CRISPR筛选格局》电子书
单细胞测序入门大讲堂 - 深入了解从第一个单细胞实验设计到数据质控与可视化解析
下载《细胞内蛋白质互作分析方法电子书》
