微軟研究院雷德蒙德實驗室的首席研究院麥克·辛克萊爾（MikeSinclair）表示：“問問自己，你希望以一種什么樣的方式來與虛擬對象交互呢？答案很簡單，就是我們都希望能像真實對象那樣處理它們，你可以伸出手去抓住它們，然后撿起來感受它們的組成，而且這全部都是以一種無需學(xué)習(xí)的自然方法來實現(xiàn)?！?/p>

辛克萊爾是微軟的其中一名研究人員，他每天都在努力，希望能夠在或許是VR其中一個最具挑戰(zhàn)性的研發(fā)領(lǐng)域取得突破，為VR用戶帶來真正身臨其境和逼真的觸覺體驗。

盡管VR和AR在過去30年間已經(jīng)取得了極大的進步，頭顯設(shè)備能夠為我們呈現(xiàn)神奇的視覺世界和3D視頻，但當(dāng)我們試圖用雙手觸碰任何虛擬對象的時候，幻覺就會打破，因為雙手觸碰到的實際上只有空氣。

與消費者設(shè)備的視覺和音頻渲染能力相比，今天的觸覺反饋體驗只局限于隆隆感覺，亦即通過內(nèi)置馬達或致動器生成的震動。研究人員正繼續(xù)努力實現(xiàn)不同觸覺震動的逼真渲染，而消費者正在期盼這種體驗?zāi)軌蛟缛粘蔀楝F(xiàn)實。

觸覺反饋成為如此一個挑戰(zhàn)的原因有很多。看多電影的你都知道我們可以欺騙眼睛和耳朵。但觸覺完全不同，其代表了一種復(fù)雜程度多數(shù)倍的挑戰(zhàn)。其中一部分挑戰(zhàn)來自于硬件領(lǐng)域。諸如外骨骼和其他手部穿戴設(shè)備等實驗室原型一般都十分笨重。大部分當(dāng)前的原型設(shè)備僅模擬特定的觸覺，如紋理，熱度，或重量，而這樣的覆蓋程度或許不足以吸引用戶。能夠?qū)崿F(xiàn)足夠多樣性的復(fù)雜機制卻過于昂貴，過于大型，或過于脆弱，難以成為可行的消費者產(chǎn)品。

微軟研究院院對一直在探索的可以能夠產(chǎn)生多種觸覺反饋，并且可以適用于手持式VR控制器的方式，從而令用戶能夠觸摸和抓住虛擬對象，感受到指尖沿虛擬表面的滑動…他們的愿望是：今天的用戶能夠以一種更自然，而且比以往任何事都都更多樣地與虛擬數(shù)字世界進行交互。

今天微軟研究院回顧了他們在過往研發(fā)的四款新型觸覺反饋原型。映維網(wǎng)希望再次與大家分享微軟的最新研究，并期待這可以鼓勵和激發(fā)社區(qū)帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展。

1.CLAW

團隊研發(fā)的第一款新型觸覺反饋控制器是CLAW。通過使用單個電機，CLAW將VR控制器的概念擴展至一款多功能觸覺反饋工具。CLAW跟標(biāo)準(zhǔn)的VR控制器有點相像，但在仔細觀察后你會發(fā)現(xiàn)一個用以模仿力反饋的獨特機械臂。這個原型最初是在斯坦福大學(xué)實習(xí)生InrakChoy的幫助下研發(fā)而成。

CLAW可以充當(dāng)多功能控制器，其包含VR控制器的常見設(shè)置（如拇指鍵，搖桿和扳機鍵等等），以及用于大部分常見手部交互的一系列觸覺渲染：抓取對象，觸碰虛擬表面和接收力反饋。

但CLAW的獨特之處在于，它能夠通過感知用戶抓握的差異和虛擬場景的情境來調(diào)整觸覺渲染。當(dāng)用拇指抵住食指指尖時，設(shè)備將模擬抓取操作：圍繞虛擬對象閉合手指將產(chǎn)生阻力，生成一種對象位于食指和拇指之間的感覺。嵌在食指支架中的力反饋傳感器可以改變電機的響應(yīng)曲線，從而可以檢測不同材料的對象（從完全剛性的木塊到彈性海綿）。如果不形成抓取姿勢，而是平展手掌以形成指向手勢，控制器將提供觸摸虛擬表面的感覺。

將手指指尖移向虛擬對象的表面將生成一種推回手指的阻力，并阻止手指穿透虛擬表面。另外，當(dāng)食指沿著虛擬表面滑動時，安裝在食指尖端下方的音圈將產(chǎn)生來自表面紋理的小幅振動。感知用戶施加的力量也可以提升用戶與虛擬對象的交互。CLAW本身只是一項成就，但這只是微軟研究院在觸覺反饋控制器領(lǐng)域眾多創(chuàng)新的其中一個。

2.HapticWheel

為了進一步探索在食指和拇指下渲染摩擦觸覺體驗和材料屬性的可能性，微軟研究院研發(fā)了另一項新型觸覺反饋控制器原型。HapticRevolver（亦被稱為HapticWheel）是由研究人員和華盛頓大學(xué)實習(xí)生EricWhitmire合作研發(fā)而成。這款設(shè)備主要使用上下移動的致動輪子來渲染與虛擬表面的觸摸接觸，并在用戶沿著虛擬表面滑動時旋轉(zhuǎn)以渲染剪切力和運動。

根據(jù)控制器的設(shè)計，用戶食指置放于轉(zhuǎn)輪軸的凹槽內(nèi)。當(dāng)用戶觸碰虛擬表面時，轉(zhuǎn)軸升起并接觸指尖，其旋轉(zhuǎn)則根據(jù)手部沿著表面運動的速度來模擬指尖與虛擬表面的摩擦。

HapticRevolver的被試表示，觸覺反饋震動十分逼真，能夠匹配虛擬手部運動。即便是他們自由地在虛擬表面上移動手部，而且渲染的轉(zhuǎn)軸運動受限于水平方面，用戶仍然報告說觸覺反饋相當(dāng)逼真。

（左圖）當(dāng)用戶懸停在藍色表面時，渲染引擎將向手指呈現(xiàn)合適的轉(zhuǎn)輪表面，并開始追蹤黑色表面的附件邊緣。（中圖）隨著用戶接近表面，渲染引擎定位轉(zhuǎn)輪，令邊緣靠近手指。（右圖）在用戶懸停在更小的黑色表面時，渲染引擎調(diào)整轉(zhuǎn)輪的增益，從而確保正確地渲染兩個邊緣。

觸覺轉(zhuǎn)輪可以更換和搭載包含不同的觸覺元素，例如形狀，紋理或有源電子元件，這樣在用戶探索虛擬環(huán)境時就能提供不同的震動反饋。由于設(shè)備可以接受系統(tǒng)的追蹤，可以在空間上注冊觸覺元素與環(huán)境。電機旋轉(zhuǎn)觸覺反饋轉(zhuǎn)輪以確保轉(zhuǎn)輪上的特征匹配虛擬場景。例如在虛擬卡牌游戲中，當(dāng)用戶觸碰到卡牌，籌碼或者桌子時，設(shè)備旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪以在指尖下渲染合適的紋理。隨著用戶在其中一個表面滑動時，轉(zhuǎn)輪在指尖下移動，渲染剪切力和運動。

HapticWheel可推廣至一系列的應(yīng)用。應(yīng)用程序同時可以采用佩戴所需觸覺功能的定制轉(zhuǎn)輪。例如，一款虛擬寵物動物園游戲可以采用包含各種紋理的轉(zhuǎn)輪，而虛擬駕駛艙環(huán)境可以采用搭載按鈕和開關(guān)等輸入元素的轉(zhuǎn)輪。HapticWheel說明了易于抓取和使用的簡單設(shè)備可以生成逼真的指尖觸感。

（左圖）控制器的轉(zhuǎn)輪用以渲染的卡牌游戲的不同紋理。這一示范采用的轉(zhuǎn)輪包含兩個軟帶區(qū)域，硬塑料脊和一小部分紙片組成。當(dāng)用戶觸摸場景中的對象時，合適的紋理將放置在指尖下方。（中圖）在繪畫和雕刻示范中，這強調(diào)了渲染形狀和感知施加到轉(zhuǎn)輪上的作用力的能力。示范所采用的轉(zhuǎn)輪由凸塊和一個凸脊組成（模擬夾持工具），而用戶則通過按壓轉(zhuǎn)輪來激活工具。（右圖）包含多個物理UI元素的轉(zhuǎn)輪可以向混音板應(yīng)用程序提供觸覺反饋。當(dāng)用戶觸摸虛擬UI元素時，他們不僅能夠感受到類似物理元素的形狀，還可以與小部件進行物理交互。

3.HapticLinks

觸覺領(lǐng)域的另一項里程碑是用戶可以在VR或AR應(yīng)用程序中使用雙手。比如說用兩只手來移動箱子；又或者是一手拿弓，一手拿箭，感受真正的拉弓射箭；甚至是用扳手來轉(zhuǎn)動虛擬水管。

由微軟研究院和斯坦福大學(xué)實習(xí)生EvanStrasnick研發(fā)的HapticLinks包含了多種連接器，能夠通過兩個手持式VR控制器渲染各種剛度。HapticLink能夠動態(tài)地改變用戶雙手所能感知的作用力，從而支持各種對象和交互。它們可以將控制器嚴(yán)格鎖定在任意配置中，令其變成一種類雙手工具。它們可以約束控制器之間的特定自由度或運動方向，例如在轉(zhuǎn)動曲柄或拉動控制桿的時候。它們甚至可以在連續(xù)范圍內(nèi)設(shè)定硬度以產(chǎn)生摩擦，粘度或張力。通過這些方式，HapticLinks增強了現(xiàn)有手持控制器的真實機械約束，使VR場景中的交互和游玩變得更加身臨其境。

在構(gòu)思HapticLinks的時候，微軟研究團隊從許多設(shè)計考量開始入手，包括啟動時的剛度，放松時的靈活性，剛度分辨率，重量，體積，慣性矩，致動速度，功耗，噪點和運動范圍等等。理想的HapticLink在啟動之前幾乎無法被用戶察覺，但可以根據(jù)需要快速，強烈和精確地變硬。

微軟的探索帶來了三個HapticLinks原型，而它們?nèi)慷伎梢灾С趾椭袛嗍殖质絍R控制器的6自由度運動。每種設(shè)計都有自身的折衷和優(yōu)勢，都有最適合的特定應(yīng)用。微軟研究團隊認為，VR體驗設(shè)計師可以自由選擇最能滿足其需求的HapticLink，在用戶進入虛擬世界之前快速將推薦的HapticLink附加到他們的控制器上。

Chain原型（上圖中心）采用由球窩元件組成的高度鉸接式鏈條。一根厚實的纜線穿過鏈條并連接到每端的線性致動器上。隨著線性致動器的擴展，鏈條保持松動，以便用戶可以在3D空間中任意移動控制器。當(dāng)線性致動器縮回纜線時，球窩元件相互壓縮，增加鏈條中每個接頭處的摩擦力。這樣整個鏈條就會變得僵硬，從而固定兩個控制器之間的當(dāng)前空間關(guān)系。

Layer-Hinge（上圖左側(cè)）使用球節(jié)來支持控制器的旋轉(zhuǎn)，并且搭載了可以控制控制器之間距離的鉸鏈。其優(yōu)點是它可以選擇性鎖定控制器運動中的各個自由度。例如，如果鉸鏈鎖定但球節(jié)保持自由，控制器就能夠以固定的距離旋轉(zhuǎn)，就像操縱桿一樣。此外，它可以相對精確地控制每個關(guān)節(jié)的摩擦，從而在鉸鏈和球節(jié)中呈現(xiàn)連續(xù)的剛度值范圍。鉸鏈可以根據(jù)應(yīng)用設(shè)定為不同的阻力。

Ratchet-Hinge（上圖右側(cè)）使用了類似的球節(jié)，但用雙棘輪機制取代鉸鏈，這樣設(shè)備就能夠獨立地制動向內(nèi)或向外的運動。當(dāng)兩個棘輪嚙合時，齒輪固定；兩個脫開時，齒輪則可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個棘輪脫開時，齒輪可以在一個方向上自由移動，但不能沿相反方向移動。

HapticLinks說明了控制器間可變剛度反饋能夠改善VR中雙手對象的觸覺渲染和VR中的交互。多個實施例為對象渲染提供了不同的功能和優(yōu)勢。

簡而言之，HapticLinks可以改善雙手對象的感知真實性，同時不會顯著降低需要不相交控制器的正常交互的渲染。

4.Canetroller

秉承微軟數(shù)十年來一貫的兼容性，研究團隊很早就確定了一個特別能從觸覺技術(shù)進步中受益的社區(qū)：低視力人群和盲人社群?！皞鹘y(tǒng)”虛擬現(xiàn)實在本質(zhì)上是強烈視覺化的體驗，無法支持視障人群。微軟研究院與康奈爾大學(xué)的實習(xí)生YuhangZhao和華盛頓大學(xué)實習(xí)生的CindyBennett一同研發(fā)了Canetroller原型。這樣，在現(xiàn)實世界中熟悉使用白色手杖的用戶就能夠?qū)⑺麄兊膶?dǎo)航能力轉(zhuǎn)移到虛擬環(huán)境之中。

Canetroller提供三種類型的反饋：（1）由可穿戴式可編程制動器機構(gòu)產(chǎn)生的物理阻力，當(dāng)虛擬手杖與虛擬物體接觸時，物理阻礙控制器;（2）振動觸覺反饋，其模擬甘蔗撞擊物體或觸摸并拖過各種表面時的振動;（3）空間3D聽覺反饋模擬真實世界甘蔗相互作用的聲音。

Canetroller在娛樂，定向行動訓(xùn)練，以及環(huán)境準(zhǔn)備等領(lǐng)域具有重大的潛力。微軟研究院希望這份研究能夠激勵研究人員和設(shè)計人員設(shè)計更有效的工具，從而令VR更具包容性，為世界各地不同的人群提供支持。

（A）一位視障人士正在接受微軟研究院的VR評估，她使用的設(shè)備包括VR頭顯和Canetroller；（B）Canetroller的機械元件；（C）虛擬場景和真實場景的疊加說明了用戶如何利用Canetroller設(shè)備進行導(dǎo)航，并與虛擬垃圾箱進行交互；（D）使用Canetroller來導(dǎo)航虛擬街道：插圖為真實的物理環(huán)境，而渲染圖則是對應(yīng)的虛擬場景。請注意，用戶在使用VR系統(tǒng)時沒有任何視覺反饋。為了清晰起見，這里的示例采用了效果圖。

測試表明，Canetroller是一個前景光明的工具，可以支持低視力和盲人導(dǎo)航不同的虛擬空間，還可以幫助他們識別虛擬辦公室中的物體位置和材料。Canetroller可以支持新穎的定向行動訓(xùn)練。在這種訓(xùn)練中，人們可以首先在特定的VR環(huán)境下練習(xí)使用手杖進行導(dǎo)航的技能，然后才將其應(yīng)用在真實世界。這種類型的設(shè)備還可以令視障人群享受VR游戲和娛樂。