基于水的触觉系统
（中国AI网 2024年12月05日）在一项研究中，美国马里兰大学团队提出了一种基于水的VR触觉系统JetUnit，目标是通过水射流产生具有广泛强度和频率的力反馈。
设计该系统的关键挑战在于优化参数，使触觉设备能够产生力反馈，从而紧密复制直接水射流产生的最强烈的力，同时确保用户保持干燥。
在研究中，团队通过一系列定量实验和感知研究确定了JetUnit可穿戴设备的关键设计参数。用户研究表明，基于水的触觉系统能够提供不同的力反馈感觉，并显著增强了虚拟现实中的沉浸式体验。
实验表明，逼真的力反馈可以显著增强VR沉浸感。最近的研究探索了在VR中提供力反馈的各种机制，包括气动系统、外骨骼、肌肉电刺激（EMS）以及它们的组合。
尽管所述方法都可以有效地提供特定类型的力反馈，但它们通常受到可以产生的力的强度、频率或模式的限制，从而限制了VR应用场景的范围。
例如，气动系统可能擅长模拟轻柔的触摸，但在复制突然和强烈撞击的感觉方面可能会有所不足。另一方面，基于橡胶的触觉设备可能擅长传达即时冲击，但难以传达柔软、轻柔的触摸或快速、重复的感觉，例如连续雨滴的感觉。
换句话说，实现与各种用户场景相匹配的各种力反馈依然具有挑战性。
在一项研究中，马里兰大学团队提出了JetUnit。这种可穿戴原型旨在为各种VR场景提供广泛的感知力强度和频率的力反馈，而系统的核心是使用水射流来提供力反馈。
与空气等其他介质相比，选择水是由于其不可压缩的性质。根据Navier-Stokes方程，不可压缩流体中的压力变化会直接导致速度的变化，导致冲击力的变化，从而实现更有效的动量传递。这种特性允许在用户身体上以各种模式传递强烈和温和的力反馈，类似于Jacuzzis等水基按摩系统的体验。
同时，JetUnit将自己区分为一个独立的可穿戴系统：在提供力反馈的同时，JetUnit确保用户保持干燥，使其适合VR应用。
JetUnit实现的关键是其定制设计的腔室单元。腔室装置将水直接推进到薄膜，而薄膜将触觉传递到使用者的皮肤。膜安全地密封在腔室的开口，确保水依然包含其中。然而，这种设计有降低水流强度的风险，这是由于水在腔室内的积聚和随后引入的湍流。
为了解决这个问题，团队在腔室设计中实施了四项措施。第一项措施包括将腔室的出口连接到回收泵，以促进有效的排水。第二种措施是在膜密封区域附近增加一个带侧开口的环形通道。这种设计使水能够从膜周围的腔室快速排出到腔室的出口。
第三种措施是一个比水链横截面稍大的薄保护套，以有效地将水链与腔室内的湍流隔离开来。最后一项措施是优化内外气压平衡。这是通过合并一个止回阀和两个聚四氟乙烯胶粘片来实现。
所述机制结合在一起可以大大减少水积聚对水流强度的影响。目前的JetUnit原型可以实现16至442 kPa的皮肤接触压力范围和10 FPS的最大频率。另外，用户研究表明基于水的触觉系统能够提供不同的力反馈感觉，并显著增强了虚拟现实中的沉浸式体验。
相关论文：JetUnit: Rendering Diverse Force Feedback in Virtual Reality Using Water Jets
总的来说，团队利用水射流创造了一系列不同的触觉模式。系统实现了广泛的感知力强度和脉冲频率的触觉渲染。它同时可以在身体上呈现逐渐变化的力反馈，从而为增强VR沉浸感开辟了新的可能性。
