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新型可穿戴的皮膚集成觸感VR裝置 可無線操控及供電

City University of Hong Kong

與親友視像通話時能夠感覺他的擁抱,可能很快成真。由香港城市大學(香港城大)和美國西北大學科學家和工程師組成的聯合研究團隊,研發出一套可以無線控制和供電的皮膚集成虛擬現實(virtual reality, VR)系統。這項新研發在通訊、義肢控制和康復,以及遊戲和娛樂方面,具有龐大的應用潛力。

皮膚是人體最大的器官。但與眼睛和耳朵相比,於VR或擴增現實(augmented reality, AR)技術上,皮膚是相對未開發的感官。當前的VR和AR裝置通常依 靠摩打在皮膚上施加振動,用家要穿戴上笨重的電線和電池,因而限制了應用。

通過毫米級振動模擬觸感

香港城大生物醫學工程學系助理教授于欣格博士、高級研究員解兆謙博士及他們的團隊,與西北大學的團隊以及美國和中國內地幾家研究機構和公司合作,研發出一套皮膚集成VR系統。該系統可以無線接收指令,然後通過振動模擬「觸感」,克服上面提及的缺點。用家通過在皮膚上輕易地貼上一塊像貼布般柔軟和薄的器件,就可以感覺到「觸感」。

該項研究結果發表在最新一期的權威科學期刊《自然》上,題為「皮膚集成無線觸覺介面的虛擬和擴增現實」。

憑運用結構力學的精巧設計,這款創新的皮膚集成VR裝置由數百個功能組件組成,包括運用毫米級機械振動模擬出觸感的致動器。這些組件收納於厚度僅3毫米、由矽膠覆蓋的合成橡膠薄層中。這個裝置不但透氣和可重複使用,而且彎曲甚至扭曲均無損其功能。

無線操控兼節能

更重要的是,由於VR裝置內藏芯片級的集成電路和天線,使它可以無線操控和供電。于博士解釋說:「致動器可以在一定距離內,通過外置的大型、可活動的天線,以無線射頻取電,因此用家身上的VR裝置無需連接任何電線,可以自由移動。」該系統可以在遠達一米的距離內運作,是使用類似技術現有最遠距離紀錄的10倍。

由於新系統採用了先進的機械設計,因此致動器只需低於2個毫瓦的功率,已能引起明顯的振動感覺,反觀一般以直流電驅動的致動器需要大約100毫瓦的功率,才能產生相同水平的振動。

「因此我們通過低功耗無線功能解決了傳輸的難題,並顯著提升了系統的操作距離。系統不僅節省電力,而且用家可以更自由地移動,不受電線的拘束。」于博士說。

應用潛力廣泛

這個無線皮膚VR系統的設計涉及不同學科,例如機械工程、材料科學、生物醫學、物理和化學,團隊用上大約兩年的時間研發。團隊正在義肢用者身上試用裝置,于博士說:「裝置可以幫助義肢用者通過義肢感受到外部刺激,例如物體的形狀或質感。」此外,裝置還可用作構建虛擬場景,作為臨床醫學應用。

于博士相信該系統可以大幅提升社交媒體互動、多媒體娛樂、外科手術訓練以及其他方面的感官體驗。

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研發可以感覺到溫度的電子皮膚,將是團隊的下一個研究方向。

西北大學工程學院的黃永剛教授和John A. Rogers教授是該論文的共同通訊作者。共同第一作者為于欣格博士和解兆謙博士。研究團隊內的香港城大成員包括生物醫學工程學系的李登峰博士和劉一鳴先生。

其他研究團隊成員包括美國的伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、賓夕法尼亞州立大學和亞利桑那大學、英國布里斯托大學、清華大學及山東大學的研究人員。

這項研究獲得香港城大、西北大學生物集成電子中心、中國國家自然科學基金、英國工程和自然科學研究委員會、中國國家留學基金管理委員會,以及國家重點基礎研究發展計劃的資助。團隊正就此技術在美國申請專利。

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