Прикосновение будущего: новый способ взаимодействия в виртуальной реальности

Автор: Денис Аветисян

Ученые разработали носимое устройство, которое позволяет ощущать прикосновения в виртуальном мире, используя растяжение кожи предплечья.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Система QuadStretcher расширяет возможности тактильного взаимодействия в дополненной и виртуальной реальности, воссоздавая ощущение растяжения кожи в реальном времени в ответ на деформацию виртуальных объектов, таких как резиновая лента, и тем самым стирая грань между цифровым и физическим мирами.

QuadStretcher: носимый дисплей растяжения кожи предплечья для тактильного взаимодействия в AR/VR.

Несмотря на растущую популярность неконтактного взаимодействия в виртуальной и дополненной реальности, обеспечение реалистичной тактильной обратной связи остается сложной задачей. В данной работе представлена система QuadStretcher: A Forearm-Worn Skin Stretch Display for Bare-Hand Interaction in AR/VR, использующая растяжение кожи предплечья для передачи тактильных ощущений. Эксперименты показали, что QuadStretcher превосходит существующие решения, такие как Squeezer, в передаче направления и силы воздействия, значительно повышая степень погружения в 3-DoF VR-взаимодействия. Какие перспективы открываются для разработки более сложных и реалистичных систем тактильной обратной связи, использующих растяжение кожи для обогащения пользовательского опыта в AR/VR?

За гранью контроллеров: Поиск естественного взаимодействия в AR/VR

Традиционные системы дополненной и виртуальной реальности зачастую полагаются на использование контроллеров, что существенно ограничивает ощущение погружения и естественности взаимодействия. Данный подход требует от пользователя освоения новых способов управления, что отвлекает от самого виртуального опыта и создает барьер между ним и реальным миром. Вместо интуитивного взаимодействия, как в повседневной жизни, пользователь вынужден манипулировать виртуальными объектами посредством внешних устройств, что снижает правдоподобие и разрушает иллюзию присутствия. В результате, полноценное погружение в виртуальную среду становится затруднительным, а возможности применения технологий дополненной и виртуальной реальности для обучения, развлечений и профессиональной деятельности ограничиваются.

Основная сложность создания по-настоящему реалистичных взаимодействий в дополненной и виртуальной реальности заключается в передаче ощущения силы и текстуры без непосредственного физического контакта. Нередко виртуальные объекты ощущаются как нечто нематериальное, лишенное веса и сопротивления, что разрушает иллюзию присутствия. Исследования направлены на разработку технологий, способных обмануть тактильную систему человека, используя, например, ультразвуковые волны, электротактильную стимуляцию или воздушные потоки для имитации давления и шероховатости поверхности. Успешная реализация этих методов позволит пользователям не просто видеть и слышать виртуальный мир, но и ощущать его, значительно повышая уровень погружения и открывая новые возможности для обучения, развлечений и профессиональных приложений. Преодоление этого ограничения является ключевым шагом к созданию интуитивно понятных и естественных интерфейсов для взаимодействия с цифровой средой.

Эффективная тактильная отдача играет ключевую роль в стирании границ между виртуальным и реальным мирами, значительно повышая ощущение присутствия и удобство использования. Исследования показывают, что передача реалистичных ощущений прикосновения, давления и текстуры позволяет пользователю более естественно взаимодействовать с цифровой средой, что ведет к улучшению когнитивных процессов и снижению когнитивной нагрузки. Недостаток тактильной обратной связи часто приводит к диссонансу между визуальным и сенсорным восприятием, снижая реалистичность и затрудняя выполнение задач. Разработка передовых технологий, таких как ультразвуковые тактильные дисплеи и электротактильная стимуляция, направлена на создание более правдоподобных и интуитивно понятных интерфейсов, открывающих новые возможности для обучения, развлечений и профессиональной деятельности. По мере совершенствования этих технологий, виртуальная и дополненная реальность смогут предложить пользователям не просто визуальный опыт, а полноценное сенсорное погружение.

Предшествующие разработки тактильных устройств для запястья и предплечья, такие как решения от Moriyama et al. (2018), Sarac et al. (2022) и Pezant et al. (2019), направлены на поддержку взаимодействия без использования перчаток.

Кожа как холст: Введение в косвенную тактильную обратную связь

Непрямая тактильная обратная связь представляет собой перспективное решение для передачи ощущений прикосновения и силы путем стимуляции кожных рецепторов. В отличие от прямой тактильной обратной связи, требующей физического контакта с объектом, непрячные методы воздействуют на кожу, создавая иллюзию прикосновения или давления. Это достигается за счет различных технологий, таких как компрессия или растяжение кожи, которые активируют механорецепторы, ответственные за восприятие тактильных стимулов. Такой подход позволяет создавать более реалистичные и иммерсивные ощущения в виртуальных средах и при взаимодействии с цифровыми объектами, не требуя непосредственного контакта с ними.

Устройства “Squeezer” и “QuadStretcher” представляют собой примеры неконтактной тактильной обратной связи. “Squeezer” использует компрессию запястья для создания ощущения давления, в то время как “QuadStretcher” растягивает кожу для передачи схожих тактильных сигналов. Оба устройства функционируют без прямого физического контакта с объектом взаимодействия, полагаясь на стимуляцию кожных рецепторов посредством внешнего давления и деформации для имитации ощущений прикосновения и силы.

Кожа обладает сложной сетью сенсорных рецепторов, отвечающих за восприятие прикосновений, давления, вибрации и температуры. Методы непрямой тактильной отдачи, такие как компрессия запястья и растяжение кожи, целенаправленно воздействуют на эти рецепторы, не требуя прямого контакта с виртуальными объектами. Активируя естественные механизмы обработки сенсорной информации кожей, такие подходы стремятся создать более интуитивное и погружающее взаимодействие, позволяя пользователю воспринимать виртуальные прикосновения и силы как более реалистичные и естественные. Эффективность этих методов напрямую зависит от точности моделирования и передачи стимулов, которые соответствуют сигналам, получаемым от кожи при взаимодействии с реальными объектами.

Эффективность методов непрямой тактильной отдачи напрямую зависит от точности моделирования сил, возникающих при взаимодействии с реальными объектами. Для достижения убедительного эффекта необходимо, чтобы сила и характер воздействия на кожу соответствовали воспринимаемым силам в реальной ситуации. Неточное воспроизведение величины и направления силы может привести к искажению восприятия и снижению реалистичности взаимодействия. Калибровка и алгоритмы управления устройствами непрямой тактильной отдачи должны учитывать физические свойства кожи и пороги чувствительности, чтобы обеспечить адекватную передачу информации о силе и давлении.

Шесть сценариев взаимодействия в виртуальной реальности, включающие простые манипуляции (нажатие кнопок, вращение ручки, активация распылителя) и более сложные действия, такие как растяжение резинки, заброс удочки и игра в теннис, позволяют оценить возможности QuadStretcher в различных условиях.

Подтверждение погружения: Пользовательские исследования и перцептивные результаты

Недавнее пользовательское исследование было проведено для оценки эффективности устройств ‘Squeezer’ и ‘QuadStretcher’ в передаче ощущений силы и текстуры. В ходе исследования участники взаимодействовали с обоими устройствами в различных сценариях, позволяющих оценить способность каждого из них реалистично воспроизводить ощущения, связанные с приложением силы и восприятием текстур. Полученные данные позволили провести сравнительный анализ эффективности каждого устройства в передаче тактильных ощущений и выявить различия в субъективном восприятии реалистичности.

Результаты пользовательского исследования показали, что устройство ‘QuadStretcher’ демонстрирует значительно более высокие субъективные оценки в передаче ощущения направления и реалистичности силы при выполнении сложных 3-мерных взаимодействий. В сценарии ‘Растяжение резиновой ленты’ ‘QuadStretcher’ получил оценку восприятия направления силы 6.0, в то время как ‘Squeezer’ — 3.7. Аналогично, в сценариях ‘Замах теннисной ракеткой’ и ‘Заброс рыболовной удочки’ ‘QuadStretcher’ набрал 5.6 и 4.6 баллов соответственно, по сравнению с 4.0 и 3.8 для ‘Squeezer’. Данные свидетельствуют о превосходстве ‘QuadStretcher’ в создании более убедительного ощущения силы и направления в сложных интерактивных задачах.

В ходе пользовательского исследования, при моделировании сценария “Растяжение резиновой ленты”, устройство ‘QuadStretcher’ получило среднюю оценку восприятия направления силы в 6.0 баллов. Для сравнения, устройство ‘Squeezer’ в аналогичном сценарии показало результат 3.7 баллов. Данные свидетельствуют о значительно более высокой способности ‘QuadStretcher’ достоверно передавать ощущение направления приложенной силы в контексте взаимодействия, имитирующего растяжение упругого материала.

В ходе пользовательского исследования, оценка реалистичности ощущений при использовании ‘QuadStretcher’ и ‘Squeezer’ в сценариях ‘Swing Tennis Racket’ (мах теннисной ракеткой) и ‘Hook Fishing Rod’ (заброс удочки) показала значительное превосходство ‘QuadStretcher’. В сценарии с теннисной ракеткой ‘QuadStretcher’ получил оценку 5.6, в то время как ‘Squeezer’ — 4.0. Аналогично, в сценарии с забросом удочки, оценка для ‘QuadStretcher’ составила 4.6, а для ‘Squeezer’ — 3.8. Данные свидетельствуют о более высокой способности ‘QuadStretcher’ достоверно передавать ощущения, связанные с этими динамическими взаимодействиями.

Алгоритм рендеринга стимулов для QuadStretcher в 3-мерных интерактивных сценариях преобразует компоненты вектора силы в управляющие сигналы, используя схему All Contract для x-компоненты и схему Contract Towards Force для y- и z-компонент.

Расширение горизонтов: Будущие приложения и 3-DoF взаимодействие

Устройство “QuadStretcher” обеспечивает взаимодействие с виртуальной средой по трем степеням свободы, что позволяет пользователям манипулировать объектами более естественно и детализированно. В отличие от систем, ограничивающихся лишь позиционированием, данная технология позволяет воспроизводить не только перемещение, но и вращение, а также изменение масштаба виртуальных объектов, создавая ощущение реалистичного тактильного контакта. Это достигается благодаря сложной системе тянущих элементов, имитирующих сопротивление и вес, что значительно повышает точность и погружение в виртуальную реальность, открывая новые возможности для обучения, проектирования и удаленного управления.

Технология, обеспечивающая тактильную обратную связь, открывает широкие перспективы применения в различных областях. В частности, дистанционное управление роботами становится более точным и интуитивно понятным, позволяя оператору ощущать сопротивление и текстуру объектов, с которыми взаимодействует робот. В сфере медицинского образования система может служить реалистичным тренажером для хирургов, имитируя ощущения при выполнении сложных операций. Не менее важным является потенциал в создании вспомогательных технологий для людей с нарушениями зрения: тактильная обратная связь позволяет “ощутить” виртуальные объекты и интерфейсы, значительно расширяя возможности взаимодействия с цифровым миром и повышая уровень самостоятельности.

Сочетание разработанных тактильных технологий с передовыми методами взаимодействия «голыми руками» обладает потенциалом коренным образом изменить способы взаимодействия с цифровым контентом. Представьте себе, что пользователь может не только видеть и слышать виртуальный объект, но и ощущать его текстуру, вес и форму, манипулируя им непосредственно, без использования каких-либо контроллеров или перчаток. Такой симбиоз позволяет создавать интуитивно понятные и реалистичные интерфейсы, расширяющие возможности в самых разных областях — от дизайна и моделирования до обучения и развлечений. Подобный подход устраняет барьеры между физическим и цифровым мирами, открывая новые перспективы для творчества, коммуникации и погружения в виртуальную реальность.

Создание действительно захватывающих и естественных AR/VR-опытов открывает новую эру возможностей в различных областях. Подобные технологии позволяют преодолеть границы между физическим и цифровым мирами, предлагая беспрецедентный уровень погружения и взаимодействия. Представьте себе хирургов, практикующих сложные операции в виртуальной среде с реалистичной тактильной обратной связью, или инженеров, совместно проектирующих сложные системы в общем виртуальном пространстве. Подобные инструменты не только повышают эффективность обучения и тренировок, но и расширяют возможности удаленной работы, позволяя людям взаимодействовать с объектами и средами, находящимися на большом расстоянии. В перспективе, подобные технологии могут трансформировать образование, развлечения, промышленность и даже социальное взаимодействие, создавая принципиально новые формы опыта и коммуникации.

Устройство QuadStretcher, надеваемое на предплечье, состоит из модуля растяжения и тактильного элемента с регулируемым диаметром.

Исследование, представленное в статье о QuadStretcher, демонстрирует стремление к более тонкому и реалистичному взаимодействию в виртуальной реальности. Разработка, позволяющая воздействовать на кожу предплечья, открывает новые горизонты для передачи тактильных ощущений, уходя от примитивных методов сжатия. Это напоминает о словах Бертрана Рассела: «Всякая проблема содержит в себе семя своего собственного решения». В данном случае, проблема нереалистичности тактильной отдачи решается путем прямого воздействия на нервные окончания, минуя традиционные интерфейсы. Использование 3-DoF взаимодействия позволяет значительно расширить диапазон возможных ощущений, приближая виртуальный опыт к реальности и позволяя пользователю ощутить более глубокое погружение в цифровой мир.

Что Дальше?

Представленное решение, QuadStretcher, безусловно, является шагом вперёд в попытке обмануть нервную систему, заставив её поверить в тактильные ощущения там, где их физически нет. Однако, стоит признать: это лишь фрагмент головоломки. Иллюзия растяжения кожи — интересная находка, но реальность тактильного восприятия гораздо сложнее. Ощущение прикосновения — это не только давление, но и текстура, температура, вибрация, и, что важнее, проприоцепция — знание о положении руки в пространстве. Игнорировать эти компоненты — значит строить виртуальный мир на песке.

Следующим этапом представляется не просто усиление иллюзии растяжения, а её интеграция с другими модальностями. Создание системы, способной генерировать сложные тактильные паттерны, имитирующие различные материалы и формы, — задача, требующая выхода за рамки текущего подхода. Реальность, в конце концов, — это открытый исходный код, который мы ещё не прочитали. QuadStretcher — лишь отладочный скрипт, позволяющий заглянуть в некоторые его строки.

Остаётся открытым вопрос о масштабируемости. Создание удобного и незаметного устройства, способного генерировать тактильную обратную связь на всей поверхности руки, — сложная инженерная задача. Возможно, ключ к решению лежит не в усилении текущей технологии, а в поиске принципиально новых методов стимуляции нервных окончаний. В конце концов, иногда, чтобы взломать систему, нужно переписать её правила.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.21157.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-27 13:05