日本VR技术中的“黑科技”：空中超声波触觉技术

本文根据对日本东京大学研究生部新领域创成科学研究科篠田裕之教授的**文章整理而成，部分文字和图片资料由东京大学篠田・牧野研究室提供。

日本VR触觉技术的发展史

日本对VR触觉技术的研究从1980年左右开始，起初是针对机器人和流水线作业等应用进行研究，1984年开始进入电视屏幕的触控技术领域，1990年则真正开始了虚拟物体（VR虚拟现实）与真实物体碰撞反馈的研究，2000年左右则可以通过小型震动装置实现真实的触感反馈，这一技术之后也应用到智能手机，也就是我们现在常用的震动模式。在空气触觉方面的研究则是由东京大学篠田裕之教授团队从2007年左右开始进行，未来可以应用到VR设备的辅助、医学保健、机器人技术等领域，并且也可以大大改善现有的智能手机操作。

什么是“空中超声波触觉技术”？

超声波振子从格状多位排列的超声波换能器中发出，以空中任意位置的超声波振子为焦点相结合，形成超声波，产生了被称为回声放射压的压力。如果用人类手指在此位置表面进行按压，就能产生触觉刺激。“空中超声波触觉”就是利用此现象，在VR虚拟现实中增加触觉而产生的。

为何能在虚无的空间中产生触感？

也许与影像和音响中丰富的表现出虚构的临场感和现实感的技术是一样的。利用VR（假想现实）和AR（扩张现实）技术表现出无人见过的场景。想要接触这种假想物体的冲动屡次三番的驱使着我们。可是，这个愿望时至今日依旧没有实现。

实现此想法的技术就是空中超声波触觉界面。话虽如此，却不可能真切的感受到物体的固体形状。但是，实际上一旦按压浮现在空中的影像图标，就可以感受到传递给手指的按压触感。

开发这个技术的是东京大学研究生部开创新领域科学研究科的篠田裕之教授团队。篠田教授团队利用迄今为止的超声波技术制作了各种各样的触觉表现技术。例如，2014年披露的样品《空中触觉触摸屏》（其他大学研究室也有类似展示、如名古屋工业大学等）。这是只要触碰漂浮在中空箱子里的图标，就可在手指上产生按压触感的系统。

空中触觉触摸屏

可以应用此技术的领域众多，例如，可以将其应用在手术室和食品加工厂等，避免脏手触碰到其他物品的场所。还有，如果在门锁开关是使用键盘输入的情况下，可以做到没有指纹残留从而提高安全性。

很早就有利用光学结构在空中制造出立体影像的技术，也尝试着使用利用影像传感器感知手指活动的相同输入界面，但是，手指和手掌没有任何触感，结果把立体影像漏过去了，这是操作方面的课题。触感的获得是绝对有益处的，可以通过正确的操作得到触摸感觉。另外，如果在有图标的地方和没有图标的地方触感发生变化的话，可能需要进行正确操作的指导。

除这类实用性系统之外，也开发了可以应用在娱乐领域中，与影像同步产生触感的实验系统。例如，《触觉放映机》。将壁虎奔跑的影像投射在放映机上，一旦人进入此影像中，就可以感觉到摸到了壁虎的皮肤。

触觉放映机

再介绍一个研究成果。下图右侧是真正的纸气球，左侧看到的是光学映射出的克隆纸气球。一旦克隆纸气球与另一个纸气球相撞时，真正的纸气球也会被撞飞。（当然克隆的纸气球也一样会被撞飞）。还有，一旦摇晃克隆纸气球，真正的纸气球也会跟着晃动。这个技术被称为《视觉触觉克隆》

视觉触觉克隆

利用同样的技术，离开场所的人不仅可以互相看到对方的样子，将手伸进装置内还能感觉到与对方手指互相触摸的感觉。

视觉触觉克隆使2个离开场所的人感觉到手指互相触摸

空中超声波触感技术的原理是什么？

产生这种触感的就是在文章开头提到的超声波振子。将250个格状排列的超声波振子作为一个单元，个别控制每个超声波振子发生的声波位相。一旦以空中任意位置的超声波振子为焦点相结合，就会产生被称为回声放射压的压力。用人的身体遮挡这个位置，皮肤就会有被按压的感觉。平均1单元压力分布在1平方厘米，重1.6克。这是充分具备获得触觉的数值。另外，使用复数单元可产生大约10克重量的压力。如果控制回声放射压使其与影像同步移动的话，应该就可以制造出触觉放映机。

使超声波震动波形发生变化，就可以控制各种各样的触感。可以产生类似于“碰撞轻的物品”、“虫子黏黏糊糊的爬行”、“烟花爆发”等感觉。

空中触觉触摸屏在制作立体影像的光学结构中也是必不可少的。采用市面上出售的空中影像投影技术，为了使超声波与空中影像的传播轴相互重合，将超声波反射在成像单元的表面。另外，影像传感中手指触摸的位置和时间，可以控制覆盖在相应位置的回声放射压。

视觉触觉克隆技术为了制作克隆影像，使用了采用特殊数字微镜元件的双向复制光线技术，此技术也应用于市面出售的装置上。复制力学场是使用1992个超声波振子，使其产生上下左右全方位的立体力。另外，通过使用红外线深度传感器，测量对象物体的形状。

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