触摸的未来：研究人员揭示触觉全息术的物理限制

在组织幻影和人手的聚焦超声刺 激期间获得了时间分辨光学振动表征。（A）扫描激光多普勒测振仪（LDV）捕获的表面振荡，通过相控阵超声换能器（以绿色显示）提供的聚焦超声进行刺 激，该表面振荡作为具有模拟人体皮肤机械性能的组织幻影引起。（B）以高空间分辨率（5毫米分辨率和1200个位置）捕获时间分辨测振测量值，均匀分布在组织幻影的中心区域。（C）在300多个测量位置从人手中捕获体内测振测量值（右）

触觉全息术有望将虚拟现实带入生活，但一项新的研究揭示了一个令人惊讶的物理障碍，需要克服。

加州大学圣巴巴拉分校的一个研究小组发现了一种新现象，这种现象是新兴全息触觉显示器的基础，并可能导致创造更引人注目的虚拟现实体验。该团队的研究结果发表在《科学进展》杂志上。

全息触觉显示器使用超声发射器的相控阵将超声波聚焦在空气中，允许用户徒手触摸、感受和操纵半空中的三维虚拟物体，而无需物理设备或界面。虽然这些显示器在各种应用领域（包括增强现实、虚拟现实和远程呈现）中具有很大的前景，但它们目前提供的触觉是弥漫和微弱的，感觉就像“微风”或“吹气”。

“我们的新研究解释了为什么这种全息图感觉比预期的更加分散或模糊，”电气和计算机工程副教授Yon Visell说，他的研究重点是交互式技术，重点是触觉，机器人和电子学。

由Visell和博士生研究员Gregory Reardon领导的研究使用高分辨率光学成像，模拟和感知实验来研究触觉全息术期间在皮肤中激发的超声波激发波。他们发现全息显示器激发了皮肤中广泛的振动模式 - 剪切冲击波。

Visell解释说，在触觉全息术中，当超声波在半空中聚焦和扫描时会产生冲击波，从而引起皮肤振动。这些振动可以相互干扰，在某些位置放大它们的强度，这种现象称为建设性干涉。

冲击波的形成会产生超出预期焦点的尾迹模式，从而降低了触觉的空间精度和清晰度。作为类比，根据研究人员的说法，如果聚焦的声束是水面上快速移动的船，则冲击波模式是尾随船的尾流。目前的全息触觉显示器激发冲击波图案，这些冲击波图案在皮肤中如此分散，以至于感觉非常弥漫。

“我们的研究揭示了全息触觉显示器，这是一种有前途的虚拟现实和远程呈现新技术，需要设计声学创新方面的新知识，”Visell说。

“通过了解皮肤中超声波产生的剪切冲击波的基本物理学，我们希望改进触觉全息显示器的设计，使其对用户来说更加逼真和身临其境。这种触觉显示可以让我们用无限种类的虚拟物体、交互式动画角色或可抓取的工具来增强我们的物理环境，这些工具不仅可以看到，还可以用手触摸和感觉到。

该团队发现了触觉全息术背后的以前未知的冲击波现象，为创建触觉全息显示器迈出了重要的一步，这可能使用户能够在未来的元宇宙中更真实、更身临其境地进行交互。