触觉全息技术或空中触觉技术有望让虚拟现实栩栩如生，但一项新研究揭示了一个需要克服的令人惊讶的物理障碍。加州大学圣塔芭芭拉分校的一个研究团队发现了一种新现象，该现象是新兴全息触觉显示技术的基础，并可能推动更具沉浸感的虚拟现实体验的诞生。该团队的 研究成果 还荣登《Science Advances》期刊。
全息触觉显示器利用超声波发射器的相控阵将超声波聚焦于空气中，使用户能够徒手在空中触摸、感知并操控三维虚拟物体，而无需任何物理设备或界面。 尽管这些显示器在增强现实、虚拟现实和远程呈现等各个应用领域前景广阔，但目前它们提供的触觉感受却较为模糊且微弱，感觉就像是“微风”或“一阵气流”。
“我们的最新研究解释了为何此类全息图的触感比预期中要模糊或不清晰得多，”加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院副教授约恩·维塞尔（Yon Visell）表示，他的研究重点在于交互技术，尤其侧重于触觉、机器人和电子学领域。
这项由约恩·维塞尔和博士生研究员格雷戈里·里尔登（Gregory Reardon）共同领导的研究，利用激光振动测量、模拟和感知实验，全面研究了触觉全息技术过程中皮肤中产生的超声激发波。他们发现，全息显示器会在皮肤中激发大范围的振动模式——即所谓的剪切冲击波。
维塞尔解释道，在触觉全息技术中，当超声波在空中聚焦并扫描时，会产生冲击波，从而引起皮肤振动。这些振动会相互干涉，在某些位置放大其强度，这一现象被称为“ constructive interference”（建设性干涉）。 冲击波的形成会产生一种延伸至预期焦点之外的尾流模式，从而降低了触觉感受的空间精度和清晰度。研究人员打了个比方：如果聚焦的声波束是一艘在水面上快速行驶的船，那么冲击波模式就是船尾留下的尾流。当前的全息触觉显示器激发的冲击波模式在皮肤中分布过于广泛，导致触觉感受非常模糊。
研究人员利用PSVPolytec Scanning Vibrometer ，在用户感受全息触觉反馈时，对人体手部表面进行了振动成像。测量结果揭示了超声波在皮肤中诱发的剪切冲击波图案的显著表现。
“我们的研究揭示了全息触觉显示技术——这项在虚拟现实和远程呈现领域极具前景的新技术——在设计上需要基于声学创新的新知识，”维塞尔表示。“通过理解超声波在皮肤中产生的剪切冲击波背后的物理原理，我们希望改进全息触觉显示器的设计，使其为用户带来更真实、更沉浸式的体验。”
“此类触觉显示器将使我们能够通过无数种虚拟物体、交互式动画角色或可抓取的工具来增强我们的物理环境，这些物体不仅能被看到，还能用手触摸和感受。”
在通过数值模拟预测剪切冲击波后，维塞尔及其团队利用扫描激光振动计，对聚焦超声在皮肤上引发的实际波纹进行了可视化观察，从而验证了模拟结果。随后的感知实验将这些波纹与用户的感知体验进行了关联分析，以评估其对用户体验的影响。
图1展示了实验装置。当通过图1A中绿色部分所示的超声换能器相控阵发射聚焦超声，刺激具有模拟人体皮肤力学特性的组织模型时，扫描振动计捕获了由此引发的表面振动。最后，对人体手部进行了活体振动测量，共采集了300多个测量点的数据（图1B）。
与波动力学理论以及数值模拟结果一致，当超声源以跨音速至超音速在表面上扫描时，会诱发出具有速度依赖性尾流角的大振幅剪切激波模式（图2右）。这些剪切激波模式滞后于聚焦位置，并在几毫秒内迅速形成。 其尾流区域的表面积比有效声学聚焦面积大几个数量级。因此，有效的聚焦分辨率主要取决于激波的形成，而非超声聚焦。波能沿长度达10厘米或更长的尾流滞后于焦点位置，并在垂直于扫描路径的方向上延伸数厘米。 较低的扫描速度（v = 2 m/s，图2左）产生的波形集中在焦点附近，这部分归因于粘性阻尼。然而，这些波的振幅较小且频率较低，因此皮肤只能微弱地感受到它们。
图2中的插图展示了激发波纹中的频率成分。随着马赫数的增加，被激发的更高频率范围也随之扩大。
如下面的视频所示，当扫描速度为 v = 4 m/s 和 7 m/s 时，测量结果与数值模拟结果非常吻合：
接下来，维塞尔及其团队转而对人类手部进行体内测量（图3）。在这些实验中，超声扫描路径沿手掌表面的轴线延伸，从手腕延伸至食指指尖。这些线性路径在运动方向的横向进行了调制（形成锯齿状路径），因为研究发现这种调制能引发更强烈的感觉。 最低和最高的扫描速度（vl = 1 和 11 m/s）分别处于亚音速和超音速范围内。
与理论以及数值模拟和组织模型实验的结果一致，较低的扫描速度（vl = 1 m/s）激发了从瞬时焦点位置向外扩展的剪切波图案。在较高的扫描速度下（vl > 4 m/s），这些图案形成了尾流，其尾迹比运动轨迹落后10厘米或更远。 这些波纹的长度比近似焦宽（0.6 厘米）长出一个数量级以上。
这些现象在人类触觉感知中有所体现，这可通过对比体内振动测量测试数据（图4A，蓝色）与通过触觉运动感知实验获得的行为数据（图4A，红色）来体现。在每次试验中，受试者感受到一种聚焦超声刺激，该刺激从手腕向食指指尖扫描，或反向扫描；受试者需报告扫描运动的方向。 在较低的扫描速度下，感知准确度更高（P < 0.0001）；而在产生最长尾流的三个最高扫描速度（vl = 4、7 和 11 m/s）下，感知准确度则下降至随机水平。对感知实验和振动测量实验数据进行的综合分析表明，感知准确度随尾流长度的增加而单调下降（图 4B）。
该团队发现了支撑触觉全息技术、此前未知的冲击波现象，这一发现为开发触觉全息显示器迈出了重要一步，这有望让用户在未来元宇宙中实现更逼真、更身临其境的交互体验。
