ThermoCaress: 一种具有幻觉移动热刺激的可穿戴触觉设备

文献标题

ThermoCaress: A Wearable Haptic Device with Illusory Moving Thermal Stimulation

文献信息

• 主题领域: 人机交互和触觉技术
• 关键词: 触觉设备, 气动驱动, 温度传递, 温度触觉, 柔性可穿戴设备

研究背景与问题

• 问题与挑战:

  • 人类通过触觉交流情感，但在疫情后面对面接触减少，出现远程交流需求。
  • 为实现丰富的触觉交流，需要复现动态的触觉和温度感知。然而，多数设备体积大、复杂且难以呈现温度的动态移动感。
  • 尽管热传递现象（thermal referral）已被研究，但其工程应用和温度移动的技术设计尚未充分开发。

• 重要性:

  • 触觉尤其是前臂的温暖抚摸被证实能传递愉悦感。
  • 通过温度刺激增强远程交流体验，将有助于应对日益增长的线上互动需求。

• 研究动机与相关工作:

  • 总结前人研究中触觉设备和温度反馈技术的缺陷，以及具有潜力但未见应用的热传递现象。
  • 针对温度和触觉结合应用的需求，在保持设备柔性与便捷性的同时，探索温度移动错觉的表现形式。

解决方案

• 提出的方法或解决方案:

  • 开发了一种基于袖套的柔性触觉设备 "ThermoCaress"。
  • 使用气体压力传感器模拟动态触摸，结合热传递现象实现静态温度源的动态移动错觉。

• 创新点:

  • 扩展热传递现象的原理，首次开发出移动温度感的触觉设备。
  • 将压力刺激动态结合，实现温度感的显著错觉减少设备中所需的热组件。
  • 确保设备主要由柔韧材料构成，增强贴肤适配性，且采用小型气体驱动部件使设备紧凑。

• 实施步骤及关键技术:

  • 硬件设计:
    • 设备使用气囊（air pouch）提供压力，用水袋（water pouch）进行温度传递。
    • 设备整体由布料、微型气泵、小型控制电路组成，支持动态压力和温度刺激。
  • 操作原理:
    • 根据热传递现象，将压力感知位置动态移动，从而引导热感错觉随之移动。
    • 通过同步操作气囊和水袋，增强错觉效果并减少热源数量。
  • 关键组成部分:
    • 微型气泵产生气压序列，驱动柔性气囊，形成沿前臂的触觉移动感。
    • 水袋加热或冷却水流提供温度，实时调节温度分布。

研究成果

• 具体成果:

  • 成功实现了热传递现象的验证，利用压力移动实现了动态温度移动错觉。
  • 在用户研究中发现，该设备可以显著增强前臂的愉悦感，尤其是冷温刺激下的效果更为突出。

• 与现有方案比较的优势:

  • 相较传统基于 Peltier 元件的设备，"ThermoCaress" 提供了更高的热传递效率和柔性舒适性。
  • 尺寸紧凑，硬件结构友好，避免采用复杂管道或外部热源。

• 实验或评估结果:

  • 在用户测试中，11/12 的参与者反馈未察觉设备的温度与压力刺激位置的微小偏差。
  • 温度移动效果达到了约 80% 的距离错觉表现。
  • 温度为冷刺激时，用户给出更高的愉悦分数。

• 局限性与未来方向:

  • 当前局限性:
    • 温水系统体积过大，不便于日常使用。
    • 用户反馈中对冷刺激和热刺激的偏好存在主观分歧。
    • 温度移动感的测试集中于前臂，尚未探讨其他体部的适用性。
  • 未来方向:
    • 缩小设备整体尺寸以实现便携化，探索紧凑水系统设计。
    • 探索不同温度刺激对情感计算的长期影响。
    • 拓展设备使用位置至其他身体部位，测试全身的触觉应用潜力。

应用场景

• 虚拟现实（VR）游戏:
  • 增强 VR 场景中能量、攻击方向或治疗药剂等触感交互。
• 远程通信工具:
  • 在视频通话或社交 VR 平台中增加自然的互动触觉。
• 培训与健身:
  • 用于瑜伽、舞蹈等模拟教练纠正姿势的触觉辅助手段。
• 心理健康支持:
  • 为孤独患者提供愉悦、安全的触觉感受。
• 身体健康按摩:
  • 利用温度和压力模拟按摩椅，缓解身体疲劳。