微軟研究院雷德蒙德實(shí)驗(yàn)室的首席研究院麥克·辛克萊爾（MikeSinclair）表示：“問(wèn)問(wèn)自己，你希望以一種什么樣的方式來(lái)與虛擬對(duì)象交互呢？答案很簡(jiǎn)單，就是我們都希望能像真實(shí)對(duì)象那樣處理它們，你可以伸出手去抓住它們，然后撿起來(lái)感受它們的組成，而且這全部都是以一種無(wú)需學(xué)習(xí)的自然方法來(lái)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

辛克萊爾是微軟的其中一名研究人員，他每天都在努力，希望能夠在或許是VR其中一個(gè)最具挑戰(zhàn)性的研發(fā)領(lǐng)域取得突破，為VR用戶帶來(lái)真正身臨其境和逼真的觸覺(jué)體驗(yàn)。

盡管VR和AR在過(guò)去30年間已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，頭顯設(shè)備能夠?yàn)槲覀兂尸F(xiàn)神奇的視覺(jué)世界和3D視頻，但當(dāng)我們?cè)噲D用雙手觸碰任何虛擬對(duì)象的時(shí)候，幻覺(jué)就會(huì)打破，因?yàn)殡p手觸碰到的實(shí)際上只有空氣。

與消費(fèi)者設(shè)備的視覺(jué)和音頻渲染能力相比，今天的觸覺(jué)反饋體驗(yàn)只局限于隆隆感覺(jué)，亦即通過(guò)內(nèi)置馬達(dá)或致動(dòng)器生成的震動(dòng)。研究人員正繼續(xù)努力實(shí)現(xiàn)不同觸覺(jué)震動(dòng)的逼真渲染，而消費(fèi)者正在期盼這種體驗(yàn)?zāi)軌蛟缛粘蔀楝F(xiàn)實(shí)。

觸覺(jué)反饋成為如此一個(gè)挑戰(zhàn)的原因有很多?？炊嚯娪暗哪愣贾牢覀兛梢云垓_眼睛和耳朵。但觸覺(jué)完全不同，其代表了一種復(fù)雜程度多數(shù)倍的挑戰(zhàn)。其中一部分挑戰(zhàn)來(lái)自于硬件領(lǐng)域。諸如外骨骼和其他手部穿戴設(shè)備等實(shí)驗(yàn)室原型一般都十分笨重。大部分當(dāng)前的原型設(shè)備僅模擬特定的觸覺(jué)，如紋理，熱度，或重量，而這樣的覆蓋程度或許不足以吸引用戶。能夠?qū)崿F(xiàn)足夠多樣性的復(fù)雜機(jī)制卻過(guò)于昂貴，過(guò)于大型，或過(guò)于脆弱，難以成為可行的消費(fèi)者產(chǎn)品。

微軟研究院院對(duì)一直在探索的可以能夠產(chǎn)生多種觸覺(jué)反饋，并且可以適用于手持式VR控制器的方式，從而令用戶能夠觸摸和抓住虛擬對(duì)象，感受到指尖沿虛擬表面的滑動(dòng)…他們的愿望是：今天的用戶能夠以一種更自然，而且比以往任何事都都更多樣地與虛擬數(shù)字世界進(jìn)行交互。

今天微軟研究院回顧了他們?cè)谶^(guò)往研發(fā)的四款新型觸覺(jué)反饋原型。映維網(wǎng)希望再次與大家分享微軟的最新研究，并期待這可以鼓勵(lì)和激發(fā)社區(qū)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和發(fā)展。

1.CLAW

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第一款新型觸覺(jué)反饋控制器是CLAW。通過(guò)使用單個(gè)電機(jī)，CLAW將VR控制器的概念擴(kuò)展至一款多功能觸覺(jué)反饋工具。CLAW跟標(biāo)準(zhǔn)的VR控制器有點(diǎn)相像，但在仔細(xì)觀察后你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)用以模仿力反饋的獨(dú)特機(jī)械臂。這個(gè)原型最初是在斯坦福大學(xué)實(shí)習(xí)生InrakChoy的幫助下研發(fā)而成。

CLAW可以充當(dāng)多功能控制器，其包含VR控制器的常見(jiàn)設(shè)置（如拇指鍵，搖桿和扳機(jī)鍵等等），以及用于大部分常見(jiàn)手部交互的一系列觸覺(jué)渲染：抓取對(duì)象，觸碰虛擬表面和接收力反饋。

但CLAW的獨(dú)特之處在于，它能夠通過(guò)感知用戶抓握的差異和虛擬場(chǎng)景的情境來(lái)調(diào)整觸覺(jué)渲染。當(dāng)用拇指抵住食指指尖時(shí)，設(shè)備將模擬抓取操作：圍繞虛擬對(duì)象閉合手指將產(chǎn)生阻力，生成一種對(duì)象位于食指和拇指之間的感覺(jué)。嵌在食指支架中的力反饋傳感器可以改變電機(jī)的響應(yīng)曲線，從而可以檢測(cè)不同材料的對(duì)象（從完全剛性的木塊到彈性海綿）。如果不形成抓取姿勢(shì)，而是平展手掌以形成指向手勢(shì)，控制器將提供觸摸虛擬表面的感覺(jué)。

將手指指尖移向虛擬對(duì)象的表面將生成一種推回手指的阻力，并阻止手指穿透虛擬表面。另外，當(dāng)食指沿著虛擬表面滑動(dòng)時(shí)，安裝在食指尖端下方的音圈將產(chǎn)生來(lái)自表面紋理的小幅振動(dòng)。感知用戶施加的力量也可以提升用戶與虛擬對(duì)象的交互。CLAW本身只是一項(xiàng)成就，但這只是微軟研究院在觸覺(jué)反饋控制器領(lǐng)域眾多創(chuàng)新的其中一個(gè)。

2.HapticWheel

為了進(jìn)一步探索在食指和拇指下渲染摩擦觸覺(jué)體驗(yàn)和材料屬性的可能性，微軟研究院研發(fā)了另一項(xiàng)新型觸覺(jué)反饋控制器原型。HapticRevolver（亦被稱為HapticWheel）是由研究人員和華盛頓大學(xué)實(shí)習(xí)生EricWhitmire合作研發(fā)而成。這款設(shè)備主要使用上下移動(dòng)的致動(dòng)輪子來(lái)渲染與虛擬表面的觸摸接觸，并在用戶沿著虛擬表面滑動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)以渲染剪切力和運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)控制器的設(shè)計(jì)，用戶食指置放于轉(zhuǎn)輪軸的凹槽內(nèi)。當(dāng)用戶觸碰虛擬表面時(shí)，轉(zhuǎn)軸升起并接觸指尖，其旋轉(zhuǎn)則根據(jù)手部沿著表面運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)模擬指尖與虛擬表面的摩擦。

HapticRevolver的被試表示，觸覺(jué)反饋震動(dòng)十分逼真，能夠匹配虛擬手部運(yùn)動(dòng)。即便是他們自由地在虛擬表面上移動(dòng)手部，而且渲染的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)受限于水平方面，用戶仍然報(bào)告說(shuō)觸覺(jué)反饋相當(dāng)逼真。

（左圖）當(dāng)用戶懸停在藍(lán)色表面時(shí)，渲染引擎將向手指呈現(xiàn)合適的轉(zhuǎn)輪表面，并開(kāi)始追蹤黑色表面的附件邊緣。（中圖）隨著用戶接近表面，渲染引擎定位轉(zhuǎn)輪，令邊緣靠近手指。（右圖）在用戶懸停在更小的黑色表面時(shí)，渲染引擎調(diào)整轉(zhuǎn)輪的增益，從而確保正確地渲染兩個(gè)邊緣。

觸覺(jué)轉(zhuǎn)輪可以更換和搭載包含不同的觸覺(jué)元素，例如形狀，紋理或有源電子元件，這樣在用戶探索虛擬環(huán)境時(shí)就能提供不同的震動(dòng)反饋。由于設(shè)備可以接受系統(tǒng)的追蹤，可以在空間上注冊(cè)觸覺(jué)元素與環(huán)境。電機(jī)旋轉(zhuǎn)觸覺(jué)反饋轉(zhuǎn)輪以確保轉(zhuǎn)輪上的特征匹配虛擬場(chǎng)景。例如在虛擬卡牌游戲中，當(dāng)用戶觸碰到卡牌，籌碼或者桌子時(shí)，設(shè)備旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪以在指尖下渲染合適的紋理。隨著用戶在其中一個(gè)表面滑動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪在指尖下移動(dòng)，渲染剪切力和運(yùn)動(dòng)。

HapticWheel可推廣至一系列的應(yīng)用。應(yīng)用程序同時(shí)可以采用佩戴所需觸覺(jué)功能的定制轉(zhuǎn)輪。例如，一款虛擬寵物動(dòng)物園游戲可以采用包含各種紋理的轉(zhuǎn)輪，而虛擬駕駛艙環(huán)境可以采用搭載按鈕和開(kāi)關(guān)等輸入元素的轉(zhuǎn)輪。HapticWheel說(shuō)明了易于抓取和使用的簡(jiǎn)單設(shè)備可以生成逼真的指尖觸感。

（左圖）控制器的轉(zhuǎn)輪用以渲染的卡牌游戲的不同紋理。這一示范采用的轉(zhuǎn)輪包含兩個(gè)軟帶區(qū)域，硬塑料脊和一小部分紙片組成。當(dāng)用戶觸摸場(chǎng)景中的對(duì)象時(shí)，合適的紋理將放置在指尖下方。（中圖）在繪畫和雕刻示范中，這強(qiáng)調(diào)了渲染形狀和感知施加到轉(zhuǎn)輪上的作用力的能力。示范所采用的轉(zhuǎn)輪由凸塊和一個(gè)凸脊組成（模擬夾持工具），而用戶則通過(guò)按壓轉(zhuǎn)輪來(lái)激活工具。（右圖）包含多個(gè)物理UI元素的轉(zhuǎn)輪可以向混音板應(yīng)用程序提供觸覺(jué)反饋。當(dāng)用戶觸摸虛擬UI元素時(shí)，他們不僅能夠感受到類似物理元素的形狀，還可以與小部件進(jìn)行物理交互。

3.HapticLinks

觸覺(jué)領(lǐng)域的另一項(xiàng)里程碑是用戶可以在VR或AR應(yīng)用程序中使用雙手。比如說(shuō)用兩只手來(lái)移動(dòng)箱子；又或者是一手拿弓，一手拿箭，感受真正的拉弓射箭；甚至是用扳手來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)虛擬水管。

由微軟研究院和斯坦福大學(xué)實(shí)習(xí)生EvanStrasnick研發(fā)的HapticLinks包含了多種連接器，能夠通過(guò)兩個(gè)手持式VR控制器渲染各種剛度。HapticLink能夠動(dòng)態(tài)地改變用戶雙手所能感知的作用力，從而支持各種對(duì)象和交互。它們可以將控制器嚴(yán)格鎖定在任意配置中，令其變成一種類雙手工具。它們可以約束控制器之間的特定自由度或運(yùn)動(dòng)方向，例如在轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄或拉動(dòng)控制桿的時(shí)候。它們甚至可以在連續(xù)范圍內(nèi)設(shè)定硬度以產(chǎn)生摩擦，粘度或張力。通過(guò)這些方式，HapticLinks增強(qiáng)了現(xiàn)有手持控制器的真實(shí)機(jī)械約束，使VR場(chǎng)景中的交互和游玩變得更加身臨其境。

在構(gòu)思HapticLinks的時(shí)候，微軟研究團(tuán)隊(duì)從許多設(shè)計(jì)考量開(kāi)始入手，包括啟動(dòng)時(shí)的剛度，放松時(shí)的靈活性，剛度分辨率，重量，體積，慣性矩，致動(dòng)速度，功耗，噪點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)范圍等等。理想的HapticLink在啟動(dòng)之前幾乎無(wú)法被用戶察覺(jué)，但可以根據(jù)需要快速，強(qiáng)烈和精確地變硬。

微軟的探索帶來(lái)了三個(gè)HapticLinks原型，而它們?nèi)慷伎梢灾С趾椭袛嗍殖质絍R控制器的6自由度運(yùn)動(dòng)。每種設(shè)計(jì)都有自身的折衷和優(yōu)勢(shì)，都有最適合的特定應(yīng)用。微軟研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，VR體驗(yàn)設(shè)計(jì)師可以自由選擇最能滿足其需求的HapticLink，在用戶進(jìn)入虛擬世界之前快速將推薦的HapticLink附加到他們的控制器上。

Chain原型（上圖中心）采用由球窩元件組成的高度鉸接式鏈條。一根厚實(shí)的纜線穿過(guò)鏈條并連接到每端的線性致動(dòng)器上。隨著線性致動(dòng)器的擴(kuò)展，鏈條保持松動(dòng)，以便用戶可以在3D空間中任意移動(dòng)控制器。當(dāng)線性致動(dòng)器縮回纜線時(shí)，球窩元件相互壓縮，增加鏈條中每個(gè)接頭處的摩擦力。這樣整個(gè)鏈條就會(huì)變得僵硬，從而固定兩個(gè)控制器之間的當(dāng)前空間關(guān)系。

Layer-Hinge（上圖左側(cè)）使用球節(jié)來(lái)支持控制器的旋轉(zhuǎn)，并且搭載了可以控制控制器之間距離的鉸鏈。其優(yōu)點(diǎn)是它可以選擇性鎖定控制器運(yùn)動(dòng)中的各個(gè)自由度。例如，如果鉸鏈鎖定但球節(jié)保持自由，控制器就能夠以固定的距離旋轉(zhuǎn)，就像操縱桿一樣。此外，它可以相對(duì)精確地控制每個(gè)關(guān)節(jié)的摩擦，從而在鉸鏈和球節(jié)中呈現(xiàn)連續(xù)的剛度值范圍。鉸鏈可以根據(jù)應(yīng)用設(shè)定為不同的阻力。

Ratchet-Hinge（上圖右側(cè)）使用了類似的球節(jié)，但用雙棘輪機(jī)制取代鉸鏈，這樣設(shè)備就能夠獨(dú)立地制動(dòng)向內(nèi)或向外的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)棘輪嚙合時(shí)，齒輪固定；兩個(gè)脫開(kāi)時(shí)，齒輪則可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)棘輪脫開(kāi)時(shí)，齒輪可以在一個(gè)方向上自由移動(dòng)，但不能沿相反方向移動(dòng)。

HapticLinks說(shuō)明了控制器間可變剛度反饋能夠改善VR中雙手對(duì)象的觸覺(jué)渲染和VR中的交互。多個(gè)實(shí)施例為對(duì)象渲染提供了不同的功能和優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)而言之，HapticLinks可以改善雙手對(duì)象的感知真實(shí)性，同時(shí)不會(huì)顯著降低需要不相交控制器的正常交互的渲染。

4.Canetroller

秉承微軟數(shù)十年來(lái)一貫的兼容性，研究團(tuán)隊(duì)很早就確定了一個(gè)特別能從觸覺(jué)技術(shù)進(jìn)步中受益的社區(qū)：低視力人群和盲人社群。“傳統(tǒng)”虛擬現(xiàn)實(shí)在本質(zhì)上是強(qiáng)烈視覺(jué)化的體驗(yàn)，無(wú)法支持視障人群。微軟研究院與康奈爾大學(xué)的實(shí)習(xí)生YuhangZhao和華盛頓大學(xué)實(shí)習(xí)生的CindyBennett一同研發(fā)了Canetroller原型。這樣，在現(xiàn)實(shí)世界中熟悉使用白色手杖的用戶就能夠?qū)⑺麄兊膶?dǎo)航能力轉(zhuǎn)移到虛擬環(huán)境之中。

Canetroller提供三種類型的反饋：（1）由可穿戴式可編程制動(dòng)器機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的物理阻力，當(dāng)虛擬手杖與虛擬物體接觸時(shí)，物理阻礙控制器;（2）振動(dòng)觸覺(jué)反饋，其模擬甘蔗撞擊物體或觸摸并拖過(guò)各種表面時(shí)的振動(dòng);（3）空間3D聽(tīng)覺(jué)反饋模擬真實(shí)世界甘蔗相互作用的聲音。

Canetroller在娛樂(lè)，定向行動(dòng)訓(xùn)練，以及環(huán)境準(zhǔn)備等領(lǐng)域具有重大的潛力。微軟研究院希望這份研究能夠激勵(lì)研究人員和設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)更有效的工具，從而令VR更具包容性，為世界各地不同的人群提供支持。

（A）一位視障人士正在接受微軟研究院的VR評(píng)估，她使用的設(shè)備包括VR頭顯和Canetroller；（B）Canetroller的機(jī)械元件；（C）虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景的疊加說(shuō)明了用戶如何利用Canetroller設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航，并與虛擬垃圾箱進(jìn)行交互；（D）使用Canetroller來(lái)導(dǎo)航虛擬街道：插圖為真實(shí)的物理環(huán)境，而渲染圖則是對(duì)應(yīng)的虛擬場(chǎng)景。請(qǐng)注意，用戶在使用VR系統(tǒng)時(shí)沒(méi)有任何視覺(jué)反饋。為了清晰起見(jiàn)，這里的示例采用了效果圖。

測(cè)試表明，Canetroller是一個(gè)前景光明的工具，可以支持低視力和盲人導(dǎo)航不同的虛擬空間，還可以幫助他們識(shí)別虛擬辦公室中的物體位置和材料。Canetroller可以支持新穎的定向行動(dòng)訓(xùn)練。在這種訓(xùn)練中，人們可以首先在特定的VR環(huán)境下練習(xí)使用手杖進(jìn)行導(dǎo)航的技能，然后才將其應(yīng)用在真實(shí)世界。這種類型的設(shè)備還可以令視障人群享受VR游戲和娛樂(lè)。