卡耐基梅隆大学机器人研究所的博士生Vivian Shen使用一个配备了相控阵超声波换能器的虚拟现实耳机来模拟在嘴唇上喝水的感觉。鸣谢:Carnegi e Mellon大学嘴唇以性感著称，但与牙龈和舌头一样，它们也出奇地敏感，神经密度仅次于指尖。卡内基梅隆大学的研究人员已经利用了后一种特性，为人们在虚拟世界中接收触觉反馈设计了一种实用的新方法。他们的系统使用空气传播的超声波在嘴唇、牙齿和舌头上产生感觉，并且足够小和轻，可以附着在虚拟现实(VR)护目镜的底部。
想象一个里面有饮水机的VR世界。机器人学院二年级博士生薇薇安·沈(音译)说:“每次你俯身下去，以为应该感受到水的时候，突然你会感觉到一股水流划过你的嘴唇。”“真酷。这让体验更加身临其境。”
沈和人机交互研究所的博士后Craig Shultz在未来界面小组工作时，也使用该系统创建了雨滴、泥浆飞溅和爬行昆虫等触觉效果。
沈和舒尔茨与副教授、FIG实验室主任克里斯·哈里森一起开发了这套系统。沈将于5月2日(周一)在美国计算机械协会(Association for Computing Machinery)的计算系统中人的因素会议(CHI 2022)上展示该团队的研究，该研究获得了最佳论文奖。
沈说，虽然嘴以其敏感性而闻名，但研究人员很难找到一种方法来呈现它的触觉效果。VR用户不喜欢把东西放进去或者捂住嘴。有些设备体积庞大，难以操作。最近的一项研究采用了一种微型机械臂，可以将羽毛拂过嘴唇或向嘴唇喷水，但沈指出，这种方法无法广泛应用。
然而，研究人员已经使用超声波向手传递感觉，使手能够产生触觉效果，如用户可以感觉到自己在按虚拟按钮。沈说，因为超声波可以在空气中传播，虽然距离很短，但这似乎是口腔触觉的一种可能的解决方案。
大多数人都熟悉医学超声成像和探头，尽管这些设备并不知道振动或刺激皮肤。然而，使用这些频率高于人耳阈值的声波，通过将它们聚焦到一个小区域来产生感觉是可能的。
这种效果是通过使用多个超声波发生模块或换能器来实现的。像任何种类的波一样，一个换能器产生的超声波可能会干扰其他换能器的超声波——建设性地放大波，或者破坏性地消除波。“如果你把传感器的发射时间安排得恰到好处，你就可以让它们在空间的某一点进行建设性的干涉，”沈说。在这种情况下，他们瞄准了嘴唇、牙齿和舌头上的峰值振幅点。微妙地调整超声波输出也增强了效果。
但是这种感觉主要局限于手和嘴，沈说。“你在别处真的感受不到；我们的前臂、躯干——这些区域缺乏足够的神经机械感受器来感受这种感觉，”她补充道。
卡耐基梅隆大学机器人研究所的博士生Vivian Shen使用了一种虚拟现实耳机，该耳机配备了相控阵超声波换能器，可以提供嘴部的触觉反馈。鸣谢:卡耐基梅尔大学CMU装置是由64个微型传感器组成的相控阵。扁平的半月形阵列附着在虚拟现实护目镜的底部，因此它正好位于嘴的上方。
触觉效果包括针对嘴的点脉冲、滑动和持续振动，并与视觉图像同步。使用16名志愿者评估了各种效果。所有的受试者都报告说，嘴部触觉增强了他们的虚拟现实体验。
“没有触觉，很难判断什么时候东西应该接触我的脸，”一名志愿者说。
并非所有的效果都同样有用。那些特定于口腔的感觉——比如刷牙，感觉窗户上的雨滴，或者感觉一只虫子从嘴唇上走过——最为成功。其他的，比如走过蜘蛛网的感觉，被证明是有趣的，但是因为人们期望在身体的大部分而不仅仅是嘴巴上感受这些感觉，所以效果不那么强烈。
沈观察到，即使是用嘴喝水，也可能会有点迷失方向。“这很奇怪，因为你感觉到了水，但它并不湿，”她说。
“我们的相控阵在表现力和价格之间取得了平衡，”沈说。进一步的工作可能会将新的触觉效果添加到目录中，并使设备更小更轻。
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