范德比尔特大学研发柔性热反馈装置提升AR沉浸感
热反馈装置
（映维网Nweon 2025年07月04日）在增强现实中，数字内容可以叠加现实世界视场。逼真的热反馈已证明可以增强沉浸感。然而，目前的热反馈设备对沉浸在AR中无效。为了弥补这一差距，美国范德比尔特大学团队确定了与AR热反馈相关的三个设计考虑因素：保持灵活性的间接反馈，保持真实世界温度感知的热传递，以及动态感觉的时空渲染。
然后，研究人员创造了一个独特而创新的热反馈装置。评估感知灵敏度、物体温度匹配、空间模式识别和移动热刺激的人类受试者实验证明了设计的影响，实现了真实的温度区分、虚拟对象感知和增强的沉浸感。相关发现表明，精心设计的热反馈系统可以弥合物理和虚拟交互之间的感官差距，增强AR的真实感和可用性。
热感觉经常被认为是理所当然的，而在虚拟现实和增强现实等沉浸式合成环境中，它在实现逼真的体验方面发挥着至关重要的作用。准确传达冷暖感觉可以显著增强用户的存在感、交互性和沉浸感。随着沉浸式技术（尤其是AR）在包括教育、劳动力培训和工业流程在内的各个领域变得越来越普遍，对这种增强沉浸感和用户整体体验的方法的需求正在迅速增长。
应用的有效性在很大程度上取决于它们的真实感。通过培养对特定场景的沉浸感，沉浸式技术鼓励持续的注意力、可用性和用户享受。准确热反馈的关键作用直接源于我们日常生活中不可或缺的热线索。日常的互动，比如拿着热饮料或抓着冰冷金属栏杆等，深刻地塑造了我们对安全、舒适和材料识别的看法。
这种日常体验是由皮肤中的热感受器介导的，它检测温度变化并启动快速的行为反应。皮肤温度和环境刺激之间的持续相互作用对于解释表面特性、检测温度梯度和体验不同环境之间的转换必不可少。将这种感官体验有效地整合到沉浸式技术中可以显著提高真实感和用户粘性。
所以在这项研究中，美国范德比尔特大学团队提出了一组三个设计考虑，以用于开发沉浸式增强现实体验的热反馈技术。相关考虑因素意味着在开发AR设备时需要牢记的额外功能或限制。前两个考虑因素涉及最大限度地减少热反馈设备对用户与物理环境交互能力的影响。最后一个考虑详细说明了研究人员认为必要的附加功能，以允许环境的虚拟元素自然地与用户的物理环境融合。
利用间接反馈
结合真实温度的热传递
提供热感觉的时空渲染图
然后，他们提出并评估了一种满足所有三个考虑因素的新型可穿戴热反馈设备（图1）。设备是由一组创新的热电模块（tem）组成，排列在手掌上的3x3网格中。每个模块都作为一个独立的热泵，能够独立调节其温度，以呈现空间和时间变化的热模式。
将10kΩ热敏电阻熔接在每个TEM的活性表面进行闭环控制。每个TEM -热敏电阻组件安装在10mmx10mm的铝板之上，并嵌入柔性硅基内，内部水冷却通道通过管理铝基板的温度来防止热量积聚，并作为散热器。在硅胶底座的外表面上有一个3 × 3的热敏电阻阵列，使得设备能够测量接触表面的温度。之所以选择将设备安装在用户的手掌，是因为团队相信手掌是满足设计考虑1的主要候选者。
手掌靠近手指的接触面，可以直接接触虚拟物体本身，并提供一个相对较大的表面积来呈现热感觉。另外，最近的研究已经调查了手掌的敏感性，并表明它足以用于热提示。利用手掌的大表面积，将一组6.5mmx6.5mm的热电模块（CUI Device CP076581-238P）组合在一个3x3网格中，间距为18mm。
以往的研究表明，这种多致动器设计是一种可靠的热绘制方法。单个模块封装在柔性硅基中，这种材料因其优异的机械灵活性和生物相容性而被选中。材料的灵活性和轻盈性使得设备可以在用户探索周围环境时不显眼地佩戴在手掌上。他们使用两部分模具制造工艺来创建内部水冷却通道，目标是将热量从TEMS中分散出去，以避免在重负荷或持续运行时由于热损失而降低效率。
另外，通过紧贴用户手掌，设备的灵活特性使阵列能够根据每个用户手掌的独特轮廓，从而促进有效的传热。通过一系列人体实验（N=12），团队发现，针对手掌的热敏区域进行间接反馈，可实现真实世界温度的传递，并呈现温暖或凉爽的时空模式，从而增强AR体验的沉浸感。
第一个人体实验测量了设备的JND，验证了其提供足够热反馈的能力。在第二个实验中，参与者与真实和虚拟对象进行交互，验证了将温度系统整合到设备中以呈现热特性的实用性。他们测量了在真实和虚拟对象之间识别相似/不同温度的准确性，并从参与者那里收集了开放式反馈。
团队通过两个实验来评估时空渲染的影响。首先，通过要求参与者区分使用设备热阵列呈现的一对对热模式，评估了识别离散空间模式的能力。最后，为了验证移动时空模式的显示能力，将设备整合到AR体验中，而体验后问卷收集了使用体验和感知热运动真实感的定性数据。实验的结果不仅证明了新设备能够满足所有额外的AR设计考虑，而且提供了定量和定性数据，表明满足额外的标准会带来更现实和身临其境的AR体验。
相关论文：Immersive and Wearable Thermal Rendering for Augmented Reality
总的来说，团队为MR/AR中的热反馈设计了一套考虑因素，目标是促进未来用于MR/AR体验的热反馈设备的开发。研究人员创建了一个定制的可穿戴热反馈设备，并进行了多个实验，而结果证明了所提出的触觉设备满足了设计考虑因素，并为用户带来了身临其境的体验。
展望未来，设备设计的持续改进和其他设计考虑因素的确定，以及更大规模的测试，可能会进一步证实相关发现，并为MR/AR中的热反馈开辟新的用途。
