VirtX 全身虚拟触觉界面

它是什么?

这是一款可以为全身皮肤带来虚拟触觉渲染的服装，利用先进的电触觉渲染技术，在无任何不适感的情况下渲染丰富的触觉类型和触觉图案。分辨率最高可达1mm，已超过人体95%以上皮肤区域的触觉感受阈值。我们开发的初衷是为听觉障碍人群服务，为他们带来丰富、细腻、空间的音波。虽然我们无法为严重听障人群恢复听力，但我们希望通过VirtX，能够实现全身的「触觉显示」，为他们带来一种「全新的感官」，帮助他们在生活中获得更多的便捷、安全，以及来自声音的享受。以另一种方式感受「音乐」的美好。

你的灵感

"触觉交互技术在人机交互领域一直处于前沿，作为该领域从业者，在一次偶然的访谈中我们发现触觉不仅对视觉障碍人士有着至关重要的作用，对听觉障碍人士同样有着非凡的意义。听觉的意义不仅在于能够传递语言的信息，也是人类感知空间、体验旋律的重要途径。如何让听障人士享受一段音乐？如何让他们更加安全地走向嘈杂的街头？甚至让他们获得类似语言的丰富信息感知？ 据世界卫生组织统计，医学上可判定为全聋的严重听力障碍患者约占全球人口的0.1%，对于他们而言，助听器等设备已经无法帮助他们听到这个世界的声响。但作为设计师和发明者，我们仍希望能够为他们做些什么。 我们想将来自四面八方的声波转化为整个躯体的丰富触觉，让声音的频率与触觉的脉冲同频。运用我们最新的基于纺织物的电触觉渲染技术，让全身的触觉渲染融入最为日常的服装，让他们在这个寂静的世界能够「拥抱声音」。 当然，我们逐渐发现，这不仅能够为听觉障碍人士带来不可替代的功能，也能为普通用户提供非凡的全身触觉体验。"

如何运作？

"这部分我将回答两个问题：1.什么是电触觉渲染技术（为什么电刺激可以渲染丰富的虚拟触觉，但却没有痛感等触电的常见感受）；2.我们如何做到将这项技术与日常的纺织布面结合，以便它可以做成轻薄且易于穿脱的智能服装，从而真正地改变日常生活。 「1」通常情况下，触觉的产生需要外界的机械刺激，这会使得人体皮下的四大机械感受器作出响应，组合产生丰富的生物电信号可能，从而激发动作电位传导到大脑。而我们使用的经皮神经电刺激技术，通过两个相近电极形成的回路，绕过机械感受器，直接模拟生物电信号，从而产生触觉。对电脉冲各项参数的精确调节可以有效规避对产生痛觉的中髓鞘 A-δ-纤维的刺激，因此，我们的技术不会产生痛感和触电感，只会产生逼真的触觉感受。 「2」我们认为，要实现全身的触觉界面，最佳的设备载体形式应当是日常穿着的衣物，因为这在几乎不改变人们行为习惯的情况下，带来了一种全新的体验。我们的发明将银材料的纺织电极，通过一种全新的多层编织结构融入到纺织布料中，并研发了相应的驱动技术对这些电极进行精准的控制。我们还研发了全新的多电极控制架构，将这些布料合理地制成了一件全套的服装，并研发了相应的分布式驱动硬件，带动全身电极的工作。"

设计过程

"我们的研究团队由同济大学设计创意学院和中国科学院软件研究所的设计师和工程师组成。 第一阶段｜我们最开始关注到，如果使一块简单的布像“触觉屏幕”一样“显示”各种各样的触觉感受和图案，将是一件多么奇妙的事。于是我们着手进行了“织物电触觉界面”的设计，经过半年多的努力，我们成功实现了在一块5*5CM的布面上渲染针扎、轻抚、拍击、按压四种触觉感受，以及十种动静态的示例图案。 第二阶段｜我们通过对纺织结构的不断改进，并与布料打样工厂合作，实现了这种电触觉布料的大幅面制造，并能融入现有的加工工艺，实现低成本大规模量产。同时我们也改进了驱动和代码，使其拥有更高的分辨率、更好的感觉质量，以及更稳定更安全地工作状态。这项工作也有幸于2024年人机交互顶会CHI上发表。 第三阶段｜我们需要面对：1.如何将这块布设计成可以穿着的衣服，2.如何处理海量的纺织电极线，以及 3.如何缩小庞大的驱动。我们通过一种基于移位寄存器的控制架构，通过五根串行的线来控制大量的电极。驱动也基于此架构，采用分布式的方式，可磁吸地附着在身体的后背、双臂，和双腿。最终完成了VirtX触觉体感服装的设计。 第四阶段｜我们完善了这套设备的开发生态，将控制代码打包为可调用函数，并开发了相应的开发者调试驱动。使得这套服装可以无缝地与个人计算设备沟通，用电脑或手机播放一段触觉音乐，或是结合相应地空间音频输入设备将公共环境中的声音转化为全身的空间触觉。 最终，我们以VirtX触觉服回应了我们的设计初衷。"

它有什么不同？

"很多具有社会关怀的设计师都在探索如何帮助听觉障碍人士感受「声音」的美好，他们通常借助现有的成熟工具，如Touchdesigner等，以一种视觉的载体形式将声音可视化。当然还有设计师考虑将声音转化到混合现实的眼镜上，让听觉障碍人士能够在日常生活中“看到”来自不同方向的声音，例如皇家艺术学院一位学生的作品Beyond Hearing令我印象深刻，它在眼镜上实时显示符号，旨在为听障人士提供声音定位与社会参与。 VirtX的优势在于，它不占用任何其它的感官，而将社会生活中较少用到的躯体触觉加以开发，形成了一种全新的全身皮肤界面。VirtX能够显示的触觉内容也远远丰富于之前的任何产品，可以提供前所未有的触觉感受。 另一方面，与现有的商业触觉渲染设备相比，当前主要以震动马达的方式实现触觉反馈，但其触觉感知类型单一、分辨率不足、设备较重的同时运行有一定噪音。而对于柔性轻量化的触觉渲染设备一直处于触觉人机交互的前沿，其中电触觉技术就是其中的代表。而将电极无缝融入纺织物中且能够实现批量化生产，是本项目的重要贡献。 这里还需要强调，本产品所使用的电触觉技术区别于市面上常见的EMS肌肉电刺激技术，该技术通常采用大片电极，且其刺激深度可到达人体肌肉组织，因此其渲染的触觉感觉类型及分辨率远低于本产品。经典的产品如Teslasuit，是一款划时代的虚拟触觉服装，但我们的产品与其所用技术不同，分辨率达到了量级上的提升，服装也更加轻薄。"

未来计划

"该项目的底层技术已经于24年CHI发表。多项发明专利、实用新型及外观专利在申。 除了对听障人群具有极大意义的同时，该产品仍有大量的应用空间。如在拓展现实领域，结合VR眼镜等设备，可以实现非凡的虚拟现实体验。 考虑实际的市场转化逻辑，预计后期会将该产品率先在游戏领域达成一定的商业合作，后逐步对各特定领域版本作出优化，以期望该产品的创新成果能够在社会关怀、医疗、娱乐等诸多领域发挥其贡献，并形成良好的运营闭环。 其中，技术层面将依托中国科学院软件研究所的科研资源不断发展，设计及商业层面将由同济大学设计创意学院及上海国际设计创新研究院牵头推进。 当然，我们期望在更多的舞台上对外推广，使得该产品能够真实落地。并最终回归于我们的初衷，为最需要它的人们营造一种全新的感官体验。"

奖项

同济大学优秀毕业设计（论文）