新加坡国立大学分享嗅觉反馈如何促进真实、虚拟对象的交互

小编刘卫华 | 分类：论文 | 发布日期 2024年8月2日

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讨论了嗅觉反馈技术是如何促进与真实和虚拟对象的交互

（映维网Nweon 2024年08月02日）虚拟现实技术的最新进展加速了人与增强3D虚拟世界之间的沉浸式交互。日前，新加坡国立大学团队通过《自然》发表了《嗅觉增强型虚拟现实在未来元宇宙应用中的进展》的评论，讨论了嗅觉反馈技术是如何促进与真实和虚拟对象的交互。

VR技术通常采用视觉和听觉设备来实现，但可以通过手套、外骨骼、特制鞋等可穿戴设备和电子皮肤来实现对虚拟空间的进一步沉浸。所述可穿戴设备能够实现全身的感官知觉，但它们需要能够精确感知人体运动，模拟感觉，并且对用户来说灵活舒适。

最近，用于检测诸如拉伸，压力，温度等物理信号的传感器已经取得了蓬勃发展。它们可用于生物传感和检测人体运动信号。另外，可穿戴系统集成了多种类型的柔性致动器，可以实现诸如动觉反馈、电触觉反馈、振动触觉反馈和热触觉反馈等等。这种系统为皮肤的感觉感受器提供了触觉刺激。

多模态触觉反馈通过增强人与虚拟环境之间的交互来为用户提供更好的沉浸式感官体验。例如，一个增强的触觉感知和触觉反馈环可以配备包括触觉、温度传感在内的多模态传感，以及包括振动和热触觉刺激在内的反馈。

使用致动器阵列的皮肤集成无线触觉界面则为复杂反馈提供了多模态机制。在这个界面中，包括机械、电触觉和热反馈在内的各种反馈模式可用于选择性地针对不同的皮肤受体，并为用户提供不同的触觉感觉。

通过将虚拟现实显示技术与这种多模态体感融合在一起，可以实现全身感知和反馈，而这对于未来的虚拟现实应用至关重要。增强的3D虚拟社交，即4D虚拟现实世界，可以促进社交、教育、娱乐、医疗等各个领域的智能互动体验。

与传统视觉、听觉和触觉一样重要的是，嗅觉对人类生理和心理都有影响。嗅觉在塑造人类体验方面的关键作用不可否认，因为日常生活的诸多方面都受到气味的影响，包括工业过程、交通运输、家居产品等。

随着化学，生物学和神经科学的重大进步，气味传感器正在见证解码复杂气味混合物的快速发展。它们提供了非侵入性的方法来检测生物标志，并告知人类和植物的代谢过程和疾病进展，从而极大地吸引了实时健康监测和即时诊断。

同时，基于人工智能的数据分析的出现引入了增强传感器功能的潜力，可以实现智能传感。利用机器学习强大的特征提取能力，可以识别和利用复杂信号输出中先前微妙的有价值特征，并可用于实现高级感官感知。

我们开发了一种触觉-嗅觉传感阵列，通过利用仿生嗅觉-触觉相关的人工智能算法，可以在没有视觉输入的情况下实时获取各种对象的局部形貌、刚度和气味。另外，可以采用单压电悬臂梁在湿度和温度干扰下检测温度和CO2浓度，从而实现非接触感觉。

光子鼻/舌是利用光学技术模拟人类嗅觉系统的新兴重要工具。中红外光子鼻子/舌头通过分析液化气样品的吸收光谱来区分不同的气味。它们具有高灵敏度，快速响应和非接触检测等优点，使其在医疗，食品工业和环境监测应用中具有重要价值。

人工智能增强光学传感技术中的人工鼻子和人工舌头的开发和应用，对于提高气味和味觉检测的灵敏度和准确性至关重要。

与视觉、听觉和触觉感官通道不同，嗅觉是一种非线性的化学感觉，这使得开发一种技术全面的嗅觉反馈系统来精确控制气味的产生和传递具有挑战性。

迄今为止报道的嗅觉反馈技术依然面临着巨大的挑战。目前的嗅觉产生技术面临着体积庞大、气味种类有限和反应时间慢等问题。

这种产生气味的技术主要与设计用于在封闭区域/房间产生气味的大型仪器或内置的笨重VR设备有关。所以，嗅觉反馈方法远远落后于基于视觉/听觉的VR设备的进步，从而严重限制了它们的潜在应用。

例如，在电磁阀和表面声波雾化器的基础上，业界开发了一种可以混合任何配方中的诸多成分的嗅觉显示器。然而，笨重的电路和系统使得它们很难成为可穿戴的解决方案。

另外，采用具有静电场加速蒸发功能的仿生纤维膜BFM实现了虚拟嗅觉产生系统。尽管实现了可穿戴和气味产生功能，但所述系统的响应时间有待提高。所以，有研究人员报道了一种具有无线可编程功能的皮肤界面嗅觉反馈系统。它基于一系列灵活和小型化的气味发生器，并可用于嗅觉VR应用。

所述系统表现出出色的性能，包括对气味浓度的快速响应速度、长时间连续操作、强大的机械/电气稳定性和最小的功耗。同时，他们开发了一种具有先进人工智能算法的气味发生器阵列，并在各种性能特征方面取得了里程碑式的进步，包括毫秒级响应时间（70 ms）、毫瓦级功耗（84.8 mW）、小型化尺寸（11 mm × 10 mm × 1.8 mm）和高稳定性（连续运行12小时）。

微型嗅觉发生器具有毫秒级响应时间、毫瓦级功耗、紧凑的尺寸、稳定性和大量的气味供应，为从娱乐到教育、医疗和人机界面的广泛应用建立了电子产品和用户之间的桥梁。

与传统的嗅觉反馈技术相比，基于恶臭石蜡物理相变化的气味发生器通过控制加热温度，在实现32种浓度可调的气味和长运行时间方面取得了进步，可以长期利用而不需要频繁更换。另外，整个系统建立在皮肤集成软基板之上，并配有配对智能电子控制面板，可以根据用户的要求远程操作各种选择性气味类型。

通过将先进的嗅觉反馈与可穿戴/灵活技术相结合，小型化、轻量化和灵活格式的高通道气味产生阵列扩展了VR应用的交互潜力，促进了体验式学习和情绪调节。

用户通过在现实世界中触发事件来控制虚拟世界中的气味产生。这可以更好地用来帮助初学者识别不同种类花草的气味，并起到教学的作用。

它同时可以在VR游戏中作为重要的反馈，比如在虚拟果园中采摘不同的水果和模拟插花。另外，嗅觉生成技术的重要性在于，它能够通过模拟各种气味来增强沉浸感和真实感，从而唤起情绪反应并加深认知参与。

尽管VR主要迎合视觉和听觉感官，但添加嗅觉刺激丰富了感官体验，可以在虚拟环境中培养更深刻的临场感。

嗅觉线索已证明可以触发生动记忆和情绪反应，从而有助于提高认知和情感投入。嗅觉反馈同时可以实现嗅觉训练，以改善各种原因引起的疾病，如上呼吸道感染、创伤、特发性因素和神经系统疾病。

另外，研究表明，在训练方案中加入更多种类的气味可以提高嗅觉功能的改善速度。嗅觉反馈的未来将向嗅觉编码方向发展，利用神经科学分析实现从化学结构到嗅觉感知的映射，通过微电子技术实现对复杂混合气味的量化反馈。

开发双向人工智能算法以为先进的元宇宙应用增强气味识别和气味产生的系统是下一个里程碑式的技术。

通过将嗅觉线索与视觉、听觉和触觉反馈相结合，可以令虚拟环境变得更加全面和逼真，并将应用扩展到娱乐、教育、医疗等各个领域，为用户提供更加多样化和身临其境的感官体验。例如，在火灾逃生实践中，通过气味发生器技术提供烟雾气味和基于热触觉反馈的高温感觉3可以实现训练的保真度和有效性。