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在虛擬世界能體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)一樣冷熱酸甜的感覺(jué)嗎

中科院半導(dǎo)體所 ? 來(lái)源:返樸 ? 作者:水水 ? 2022-10-31 11:54 ? 次閱讀
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近兩年,元宇宙概念大火,似乎這是能改變?nèi)祟愇磥?lái)的東西。無(wú)論商業(yè)前景如何,一些研究人員確實(shí)在致力于讓虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字人生結(jié)合。這其中就有一個(gè)問(wèn)題:在虛擬世界能體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)一樣冷熱酸甜的感覺(jué)嗎?化學(xué)觸覺(jué),或許可以告訴我們答案。

警報(bào)突然響起,他快速離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng),剛走到出口時(shí)卻突然發(fā)生爆炸,火星濺落到他身上,令他感到陣陣刺痛。來(lái)到外面,天空中飄著雪花,寒意襲來(lái),他發(fā)現(xiàn)原來(lái)是旁邊核反應(yīng)室里發(fā)出的警報(bào)。他前往探查,卻發(fā)現(xiàn)手臂麻痹無(wú)力,好不容易打開(kāi)房門,只見(jiàn)房間內(nèi)熱浪滾滾,他周身被一股灼燒的窒息感包圍…… 但是,當(dāng)他摘下VR頭盔,一切都終止了。

這是一次模擬體驗(yàn)。那些知覺(jué)上的變化,無(wú)論是冷和熱,還是手腳的麻木和舒展,沒(méi)有一樣真正來(lái)自他身處的環(huán)境。他感受到的,是幾種化學(xué)物質(zhì)通過(guò)一個(gè)可穿戴設(shè)備接觸到皮膚之后所產(chǎn)生的:手臂麻木僵硬,是因?yàn)槔ǘ嘁蚪佑|到了皮膚;撲面而來(lái)的熱浪,是因?yàn)槔苯匪乇会尫诺矫娌浚淮掏吹母杏X(jué)來(lái)自山椒醇,而最后那種冰涼的感覺(jué)則是薄荷醇的作用。

這個(gè)神乎其神的可穿戴設(shè)備,利用的是一種叫作“化學(xué)觸覺(jué)”(chemical haptics)的技術(shù)。事實(shí)上,化學(xué)物質(zhì)一直被用來(lái)理解觸覺(jué)機(jī)制。20世紀(jì)90年代,關(guān)于薄荷醇和辣椒素的研究,幫助我們明確了身體在遇到冷熱刺激后會(huì)如何做出反應(yīng)?,F(xiàn)在,芝加哥大學(xué)的Jasmine Lu和她的同事正在應(yīng)用這方面的知識(shí),來(lái)制造一種由化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生的“觸覺(jué)”。

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利用可穿戴設(shè)備,在VR中體驗(yàn)真實(shí)的“觸覺(jué)” 圖片來(lái)源:Chemical Haptics: Rendering Haptic Sensations via Topical Stimulants, YouTube

觸覺(jué),不止接觸

Haptics這個(gè)詞,直接翻譯過(guò)來(lái)就是“觸覺(jué)”,它可以指代與接觸、觸感有關(guān)的任何含義,不過(guò)現(xiàn)在更多的是用作觸覺(jué)技術(shù)的簡(jiǎn)稱。觸覺(jué)技術(shù)能在無(wú)須直接接觸的情形下產(chǎn)生觸感。它并不是一個(gè)新鮮詞,應(yīng)用了觸覺(jué)技術(shù)的設(shè)備在日常生活中隨處可見(jiàn)。比如:iphone 13上的home鍵并不是一個(gè)實(shí)體按鍵,它不能被按下,而是通過(guò)感知振動(dòng)“假裝”被按了下去——這或許是觸覺(jué)技術(shù)在我們身邊最常見(jiàn)的應(yīng)用。

觸覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止一個(gè)小小的手機(jī)按鍵。觸覺(jué)設(shè)備可以幫助中風(fēng)患者重新獲得手臂的知覺(jué),它還可以為醫(yī)學(xué)生的心肺復(fù)蘇訓(xùn)練提供逼真的觸覺(jué)反饋。2019年,香港研究人員開(kāi)發(fā)了一種虛擬皮膚,可以“擁抱”世界各地的親人。

這類設(shè)備的局限,在于它們大多通過(guò)力或振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能,因此它們只能使用觸覺(jué)機(jī)制的一種形式——壓力,而我們的皮膚能感知到的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止壓力這一個(gè)因素。比如,你摸到一塊冰塊和一塊烙鐵(假如能下得去狠手的話),很顯然,這兩個(gè)物體帶給你的感覺(jué)是不同的,這說(shuō)明在壓力之外,你的皮膚還感覺(jué)到了其他類型的刺激。觸覺(jué)是由皮膚中各種各樣的感受器共同作用產(chǎn)生的,皮膚有溫度感受器來(lái)感知冷熱,有機(jī)械感受器來(lái)感知振動(dòng)、壓力,有傷害性感受器來(lái)感知疼痛。

那么,如果能把這些感覺(jué)全部模擬出來(lái)并且集成到同一個(gè)設(shè)備里,就可以復(fù)制一種極度逼真的觸覺(jué)。

化學(xué)觸覺(jué)技術(shù)的用意,就是用化學(xué)物質(zhì)把這些冷、熱、振動(dòng)、壓力等感覺(jué)“一攬子”模擬出來(lái)。這個(gè)方案是可行的。與Jasmine Lu同在一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的Jas Brooks早先曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)VR頭盔,它能將薄荷醇、辣椒素等化學(xué)物質(zhì)釋放到鼻腔的三叉神經(jīng)處,然后三叉神經(jīng)就能將冷熱的感覺(jué)(也就是溫度信息)傳達(dá)給大腦。而且,使用者不僅僅是因?yàn)槁劦搅吮『纱蓟蛘呃苯匪氐臍馕抖?lián)想到了冷和熱,他們之所以有冷熱的感覺(jué),還因?yàn)槿嫔窠?jīng)在明明白白地“告訴”大腦:現(xiàn)在環(huán)境的溫度就是變了。

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通過(guò)給使用者皮膚上給予化學(xué)物質(zhì)刺激,讓他們感受到不同形式的“觸覺(jué)”,目前可以實(shí)現(xiàn)刺痛、麻木、清涼、溫暖的感覺(jué)。圖片來(lái)源:參考資料[2]

但說(shuō)實(shí)話用這個(gè)設(shè)備實(shí)在是找虐,讓辣椒素直接泵入鼻腔,熱的感覺(jué)倒是傳達(dá)得很準(zhǔn)確,那辣到直通天靈蓋的感覺(jué)想想就夠了。很顯然,這個(gè)設(shè)備雖然有效,卻不太會(huì)有人愿意用它。所以,Jasmine Lu想要尋找一種能繞過(guò)鼻子、直接通過(guò)皮膚產(chǎn)生觸覺(jué)的途徑。那么,化學(xué)物質(zhì)如何作用于皮膚產(chǎn)生種種感覺(jué)呢?巧了,已經(jīng)有人完美解答了這個(gè)問(wèn)題。

辣椒素和薄荷醇給出的啟示

上世紀(jì)90年代初,加利福尼亞大學(xué)的戴維·朱利烏斯(David Julius)想要尋找一種替代阿片類的止痛藥。但是首先,他需要從分子生物學(xué)上了解人體是如何感知到疼痛的,以及觸覺(jué)的信號(hào)通道是如何被強(qiáng)化的。

他和同事創(chuàng)建了一個(gè)由幾百萬(wàn)個(gè)DNA片段組成的資源庫(kù),每一個(gè)片段都與神經(jīng)元中能對(duì)疼痛、熱和觸感做出反應(yīng)的基因相對(duì)應(yīng)。既然辣椒素能讓皮膚產(chǎn)生火辣辣的灼熱感,那么細(xì)胞上就一定有能響應(yīng)辣椒素的受體,且這些DNA片段中必然存在能編碼這種受體蛋白的基因。經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究后,在1997年,他們終于識(shí)別出了一個(gè)叫作TRPV1的受體。

TRPV1位于傷害性感受神經(jīng)元的細(xì)胞膜上,當(dāng)受到辣椒素的刺激時(shí),TRPV1會(huì)打開(kāi)離子通道做出響應(yīng)。有意思的是,TRPV1同樣會(huì)被熱刺激激活,當(dāng)遇到43℃以上的高溫時(shí),TRPV1會(huì)釋放一模一樣的電信號(hào)并傳達(dá)給大腦——所以“辣”和“熱”帶給我們的感受是很相似的。

這個(gè)結(jié)論可以解釋很多關(guān)于辣的現(xiàn)象。我們常常把“酸甜苦辣”并提,但其實(shí)仔細(xì)一想就知道,辣和其他三味明顯不同。舉個(gè)例子,如果你用剛剛切過(guò)辣椒的手揉了眼睛,你的眼睛也會(huì)感到火辣辣的,而如果用剛剛摸過(guò)蛋糕的手去揉眼睛,眼睛并不會(huì)感到甜。還有,冬天吃火鍋的時(shí)候,你的嘴巴里感到辣,同時(shí)身上也感到越來(lái)越暖和。這些例證都在提示我們,辣和熱有著異曲同工的關(guān)聯(lián),辣并不是一種味覺(jué),它本質(zhì)上是一種“熱覺(jué)”。

David Julius等人繼續(xù)用了多年時(shí)間,詳細(xì)研究了由感受器、神經(jīng)元、受體和離子通道組成的復(fù)雜體系,我們那些層出不窮又妙不可言的觸覺(jué)感受就來(lái)自于它們的共同作用。這項(xiàng)研究中的另一位核心人物阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),以薄荷醇為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)了皮膚產(chǎn)生“冷覺(jué)”的機(jī)制,隨后又發(fā)現(xiàn)了皮膚上的壓力感受器。這些工作讓人們逐漸理解了何為觸覺(jué)。2021年,David Julius和Ardem Patapoutian因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了溫度和觸覺(jué)感受器而獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

他們的工作也給了Jasmine Lu很大的啟發(fā),她因此重新制定了實(shí)驗(yàn)方案。她不再通過(guò)創(chuàng)造熱環(huán)境、施加力或振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)技術(shù),而是試圖使用化學(xué)物質(zhì)直接刺激皮膚,并觸發(fā)皮膚中的受體來(lái)模擬與觸覺(jué)相關(guān)的種種感覺(jué)。

第三種“化學(xué)感覺(jué)”

我們能感覺(jué)到來(lái)自化學(xué)物質(zhì)的刺激,是因?yàn)榧?xì)胞上的受體能與化學(xué)分子相互作用,然后做出響應(yīng)并將信號(hào)傳遞給大腦。在大多數(shù)人的固有認(rèn)知里,這個(gè)過(guò)程主要體現(xiàn)為嗅覺(jué)和味覺(jué)。不過(guò),如果你的想法只停留在這兒,顯然就低估了受體。

嗅覺(jué)的受體在鼻腔,味覺(jué)的受體在舌頭上,其實(shí)你能想象即使沒(méi)有鼻子和舌頭,也還會(huì)有第三種“化學(xué)感覺(jué)”存在。比如,涂上風(fēng)油精,你會(huì)感到?jīng)鼋z絲的,這就是薄荷腦的作用,而且這種作用完全沒(méi)有經(jīng)過(guò)鼻子和舌頭。又如,你咀嚼花椒的時(shí)候,不僅口腔里麻麻辣辣的,嘴唇也會(huì)有針刺似的感覺(jué),這是因?yàn)榛ń分杏幸环N關(guān)鍵成分叫作山椒醇,它會(huì)與嘴唇皮膚上的痛覺(jué)感受器和機(jī)械感受器(特別是感知振動(dòng)的感受器)發(fā)生作用,就好像有個(gè)振動(dòng)小馬達(dá)放在嘴唇上似的,所以你會(huì)感到有一種刺痛感。可見(jiàn),響應(yīng)化學(xué)刺激的受體不僅存在于鼻子和舌頭,化學(xué)物質(zhì)引發(fā)的感覺(jué)也不局限于嗅覺(jué)和味覺(jué)。

那么,該怎樣定義、命名、描述這第三種“化學(xué)感覺(jué)”呢?

1912年,美國(guó)動(dòng)物學(xué)家George H. Parker提出了“共同化學(xué)感覺(jué)”的概念,用來(lái)描述動(dòng)物身上(尤其是皮膚)的化學(xué)感受性,Parker通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn),認(rèn)為這是廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)的性質(zhì),而非味覺(jué)和嗅覺(jué)神經(jīng)的特性。20世紀(jì)50年代的研究表明,這種“共同化學(xué)感覺(jué)”至少部分是由疼痛感受器的受體介導(dǎo)的,“共同化學(xué)感覺(jué)”實(shí)際上是一種特殊的痛覺(jué)。

前面提到的關(guān)于辣椒素和薄荷醇的研究,也讓人們意識(shí)到“共同化學(xué)感覺(jué)”和溫度感覺(jué)可能是同一回事。到了20世紀(jì)90年代,才有人提出用“化學(xué)物理覺(jué)”(chemesthesis)這個(gè)概念替代“共同化學(xué)感覺(jué)”,來(lái)描述這第三種化學(xué)感覺(jué)。按照定義,化學(xué)物理覺(jué)是一類具有痛覺(jué)、溫度感覺(jué)和觸覺(jué)復(fù)合感覺(jué)特性的體覺(jué)。

不難發(fā)現(xiàn),化學(xué)物理覺(jué)和化學(xué)觸覺(jué)在涵義上存在一定的重疊。但甭管它叫什么名頭,你其實(shí)早就是這個(gè)概念的“消費(fèi)用戶”了。你買的藥膏,有些會(huì)使用高濃度的冬青油(內(nèi)含薄荷成分)在皮膚上制造一個(gè)吸熱反應(yīng),起到緩解疼痛的效果;你使用的皮膚護(hù)理產(chǎn)品,有的會(huì)使用辣椒素來(lái)促進(jìn)血液循環(huán);你每天都會(huì)用到的牙膏,清新感覺(jué)大多來(lái)自薄荷醇。

有前景,亦有局限

現(xiàn)在,Jasmine Lu的團(tuán)隊(duì)把這種化學(xué)觸覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到了VR方面。他們創(chuàng)建了一種可穿戴設(shè)備,將化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存在可穿戴設(shè)備里,并通過(guò)微型泵推動(dòng)著流經(jīng)對(duì)皮膚開(kāi)放的通道,讓皮膚在試劑通過(guò)時(shí)接觸到甚至吸收它們,進(jìn)而產(chǎn)生種種感覺(jué):山椒醇被用于制造刺痛的感覺(jué),辣椒素可以模擬熱,薄荷醇用來(lái)制造寒冷的感覺(jué),肉桂醛被用來(lái)引發(fā)瘙癢感,而一種常見(jiàn)的麻藥利多卡因可以讓皮膚麻木僵硬。因此,它可以協(xié)助創(chuàng)造一個(gè)逼真的虛擬世界。這對(duì)于暢游游戲世界的玩家來(lái)說(shuō),無(wú)疑是一個(gè)令人激動(dòng)的消息。但是,我們能完全用這種體驗(yàn)替代真實(shí)的觸覺(jué)嗎?如果不能,這兩種“觸覺(jué)”的差別在哪里呢?

在2021年的用戶界面軟件與技術(shù)大會(huì)(User Interface Software and Technology conference)上,他們發(fā)布了一則視頻,視頻中是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,一個(gè)人佩戴著他們?cè)O(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備,正在“經(jīng)歷”一次驚險(xiǎn)刺激的核事故——也就是本文開(kāi)頭的那個(gè)場(chǎng)景。

在核爆炸中逃出生天??梢酝ㄟ^(guò)穿戴設(shè)備感受到危機(jī)情況下的環(huán)境變化。視頻來(lái)源:參考資料[2]

不過(guò),并不是所有人都對(duì)這一技術(shù)感到興奮,甚至,并不是所有人都認(rèn)同它的意義。至少在有些領(lǐng)域的從業(yè)者看來(lái),觸摸是具有社會(huì)學(xué)意義的一種行為,它不單單是一個(gè)動(dòng)作,有時(shí)還象征著情感連接,是不能簡(jiǎn)單粗暴地用冷、熱、疼、麻來(lái)概括和取代的——比如,擼貓時(shí)手指撫過(guò)貓咪毛發(fā)的那種感覺(jué),溫柔又舒緩,十分解壓,就很難憑幾種化學(xué)物質(zhì)復(fù)制得出來(lái)。

這些質(zhì)疑的聲音也揭示了這一技術(shù)的局限性。為什么擼貓如此解壓?答案就在介導(dǎo)這一類觸覺(jué)的神經(jīng)纖維上。不同于感知冷或熱、痛或癢的那種觸覺(jué)(被稱為辨別性觸覺(jué),discriminative touch),擼貓時(shí)的觸覺(jué)是一種情感性觸覺(jué)(affective touch),它由一種特殊的神經(jīng)纖維——CT纖維主導(dǎo)。CT纖維只對(duì)緩慢的、輕柔的觸摸有響應(yīng),例如每秒移動(dòng)5厘米左右的觸摸刺激。擼貓時(shí)的觸摸就是這種類型的刺激,按摩時(shí)最讓我們舒服的頻率差不多也是如此。

顧名思義,之所以叫作“情感性”觸覺(jué),是因?yàn)樗芘c人們的心理作用和情緒體驗(yàn)產(chǎn)生聯(lián)系。Jasmine Lu的化學(xué)觸覺(jué)系統(tǒng)能夠模擬出來(lái)的都是辨別性觸覺(jué),對(duì)于情感性觸覺(jué)是無(wú)能為力的。這確實(shí)是化學(xué)觸覺(jué)技術(shù)的局限,它從原理上就無(wú)法真正地、全方位地模擬觸覺(jué)。即便如此,它的前景依然令人期待。

其實(shí),很多人對(duì)這一技術(shù)存在誤解?;瘜W(xué)觸覺(jué)技術(shù)本來(lái)就不是要取代真正的觸摸,就好像VR做得再逼真,也沒(méi)有人會(huì)認(rèn)為可以在VR里過(guò)日子一樣?;瘜W(xué)觸覺(jué)設(shè)備真正的應(yīng)用場(chǎng)景在于它可以提升數(shù)字世界中的體驗(yàn),能讓我們?cè)谔摂M情境中去做、去體驗(yàn)我們?nèi)粘I钪凶霾涣说氖虑椤热缣娲绬T的部分訓(xùn)練,因?yàn)樗梢阅M火海中的一些感覺(jué),卻不用真的置身火海。

或者我們可以說(shuō),Jasmine Lu團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這種化學(xué)觸覺(jué)技術(shù),是與VR領(lǐng)域的發(fā)展相互成就的。事實(shí)上,人們?cè)谔摂M現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)已經(jīng)足夠逼真,也正因如此,“元宇宙”才會(huì)成為當(dāng)下最火熱的概念之一,但是,我們要想達(dá)到媲美真實(shí)世界的感覺(jué),可能還需要在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)以外,模擬出更豐富更多樣的感覺(jué)——確切地說(shuō),是一種完整又全面的,包含了冷、熱、痛、麻等“辨別性觸覺(jué)”和令人舒服的“情感性觸覺(jué)”。







審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:化學(xué)觸覺(jué):我們能在虛擬世界感受真實(shí)觸感嗎?

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    AR與虛擬現(xiàn)實(shí)的區(qū)別 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是兩種不同的技術(shù),它們體驗(yàn)和應(yīng)用上有著明顯的區(qū)別。 1. 定義和體驗(yàn) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(A
    的頭像 發(fā)表于 11-11 10:05 ?1355次閱讀

    如何使用ar增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

    。 AR技術(shù)基礎(chǔ) 1. AR的定義與特點(diǎn) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是種將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界無(wú)縫結(jié)合的技術(shù)。它不同于
    的頭像 發(fā)表于 11-11 10:03 ?1633次閱讀

    dp接口虛擬現(xiàn)實(shí)中的作用

    虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的發(fā)展為用戶帶來(lái)了沉浸式的體驗(yàn),使得人們能夠以前所未有的方式探索虛擬世界。在這過(guò)程中,DP接口(DisplayPort)扮演了至關(guān)重要的角色。
    的頭像 發(fā)表于 10-30 14:07 ?949次閱讀

    封裝一樣的磁棒電感通用嗎

    電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《封裝一樣的磁棒電感通用嗎.docx》資料免費(fèi)下載
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    具身智能在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用實(shí)例

    隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)也不斷進(jìn)步,為人們提供了沉浸式的體驗(yàn)。在這領(lǐng)域,具身智能的概念逐漸成為研究的熱點(diǎn)。具身智能強(qiáng)調(diào)智能行為是通過(guò)身體與環(huán)境的互動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,這種智能
    的頭像 發(fā)表于 10-27 10:25 ?1445次閱讀

    OPA552和OPA551的輸出電流是一樣的嗎?

    我看手冊(cè)O(shè)PA552和OPA551的輸出電流應(yīng)該是一樣的,但是我用OPA552正向放大VCC=30V,VEE=GND,接上150歐姆的電阻輸出200ma的電流,但是換成OPA551的話,接法都是
    發(fā)表于 08-27 07:42

    Stem32CubeIDE像Keil一樣指定不同文件下的代碼編譯嗎?

    Stem32CubeIDE像Keil一樣指定不同文件下的代碼編譯
    發(fā)表于 07-23 06:22