微軟公開 4 個 VR 觸覺研究，讓你像《一級玩家》可觸摸 VR 世界

最近，大導演史蒂芬·史匹柏的新片《一級玩家》熱映，男主角能透過觸感手套、X1 體感套裝與虛擬世界互動。電影之外，如何在虛擬實境獲得觸感，如何更自然地互動是目前研究者最關切的問題。微軟研究團隊公開了 4 個最新虛擬實境研究成果：CLAW、Haptic Wheel、Haptic Links、Canetroller，能幫助用戶「觸摸」虛擬場景中的物體，盡情感受虛擬世界的奇妙。

原文為「Touching the Virtual: How Microsoft Research is Making Virtual Reality Tangible」，編譯如下。

雖然 VR 和 AR 在過去 30 年取得巨大的進步──已能為用戶提供夢幻般的視覺和 3D 語音世界，但當我們伸手觸摸那些虛擬物體時，幻想就會瞬時破滅，用戶摸到的只有空氣。

虛擬觸覺難以實現有很多原因。看過電影的人都明白，眼睛和耳朵可被每秒 24 幀的電影欺騙，但觸覺卻很不同，更複雜。達成虛擬觸感的一部分挑戰來自硬體。實驗室中，設計一個適合個人用戶穿戴的手持式裝置往往很困難，目前許多原型裝置僅能模擬特定感覺，例如質地、溫度或重量，這種裝置往往缺乏吸引力。而更複雜的機械技術則導致裝置太昂貴、太大或太脆弱而無法推至消費市場。

微軟研究團隊一直在探索如何利用現有技術在手持式 VR 控制器模擬產生多種觸覺感受，使用戶能觸摸和抓住虛擬物體，感受指尖在物體表面的滑動。他們的夢想是讓用戶能與虛擬數位世界進行更自然、更多元的互動。

CLAW

CLAW 是微軟研究團隊開發的第一款新型多功能觸覺控制器，透過使用單電機，CLAW 將 VR 控制器的概念延伸至一款多功能觸覺回饋工具。CLAW 有一個獨特的機械臂，當用戶手握搖桿、手指轉動時（下圖），這個機械臂能模擬力回饋。

▲ CLAW 的規格和套件（左）；CLAW 模擬用戶抓取物體並觸摸虛擬物體表面（右）。

身為一個多功能控制器，CLAW 包含普通 VR 控制器的所有功能（拇指按鈕和操縱桿、6DOF［Degree of Freedom］控制、食指正反器），以及最常見的手部互動時啟用的各種觸覺渲染：抓取物體，觸摸虛擬表面，以及接收力回饋。

CLAW 的獨特之處還在能透過感知用戶的抓握情況和虛擬情境環境之間的差異來調整觸覺渲染。當用戶嘗試握住虛擬物體時（下圖），該裝置會在食指和拇指之間產生阻力，模擬物體被握住的感覺。嵌在食指支架中的力感測器透過改變電機的回饋，讓用戶「感受」物體的不同材料。

如果用戶握住搖桿並做出指向手勢（下圖），那麼 CLAW 會提供觸摸感覺。手指尖朝向虛擬物體表面行動時，CLAW 會產生阻力，將手指推回並阻止手指穿透虛擬表面。此外，當食指沿著虛擬表面滑動時，裝在食指尖端下方的音圈會產生小振動，模仿物體的表面結構觸感。

感知用戶施加的力量也可以幫助用戶與虛擬物體互動。例如在虛擬繪畫程式，程式可透過感知用戶的手力度來調整畫筆力度。

Haptic Wheel

為了進一步模擬食指對虛擬物體的材料和表面摩擦的觸覺體驗，微軟還開發了另一種新的觸覺控制器──Haptic Wheel。Haptic Wheel 使用的驅動轉輪透過上下行動來模擬手指與虛擬物體表面的觸碰，並且旋轉來模擬用戶沿著虛擬表面滑動時產生的剪應力（shear forces）和滑動感。

當用戶觸摸虛擬物體表面時，轉輪會上升並接觸到指尖，然後開始旋轉來模擬指尖與虛擬物體表面的摩擦。

▲ （左）當用戶將手指懸停在轉輪的藍色區域表面上方時，渲染引擎將合適的轉輪表面移到手指下方；（中）當用戶在虛擬環境中接近黑色區域邊緣時，渲染引擎會轉動轉輪以使跟黑色邊緣一樣的材質接近手指；（右）在手指懸停在較小的黑色表面上時，渲染引擎會調整轉輪的增益，以便正確模擬出手指接觸兩個邊緣的感覺。

該裝置的轉輪是可替換，包含各種物理觸覺元素，以便在用戶探索虛擬環境時提供不同的感受。當用戶探索虛擬環境時，渲染引擎會根據環境為手指傳遞適當的觸覺感受。例如虛擬紙牌遊戲，當用戶觸摸卡片、撲克籌碼或桌子時，該裝置就會旋轉轉輪以在指尖呈現適當的材質感受。當用戶沿著表面滑動時，轉輪會在手指下面旋轉以產生剪應力和滑動感。

▲ 在不同虛擬環境，Haptic Wheel 自訂包含不同觸覺感受的轉輪。

Haptic Links

觸覺探索中，另一個難以解決的問題是如何模擬在 VR 或 AR 應用程式中使用雙手的情況。比如說雙手拿著一個盒子感覺它的大小，或者使用雙手拉弓感受拉力。

▲ 模擬用戶在虛擬環境中雙手使用的工具。

Haptic Links 由幾類連線器組成，這些連線器能在兩個手持式 VR 控制器之間提供不同的剛度感受。Haptic Links 可動態改變用戶雙手之間感受到的力量，以支援渲染各種雙手使用的物體以及與人的互動，使控制器表現得就像雙手使用的工具。它們可以約束控制器之間的特定自由度或運動方向，也可以設定一定範圍內的剛度，以模擬不同的摩擦、黏著度或張力。透過這些方式，Haptic Links 使 VR 場景的互動更真實，給人身臨其境之感。

微軟做了 3 個 Haptic Links 的原型裝置。每種設計都各有折衷和優勢，使其最適合某種特定應用。Chain 原型裝置（下圖中）採用由球窩元件組成的高度鉸接式鏈條。一根強力電纜穿過整個鏈條並連線到每端的推桿電機（linear actuators）。透過推桿電機的運動來控制鏈條的鬆緊，進一步控制用戶的作業空間。