港城大与新加坡国立大学研发VR咀嚼触觉设备VirCHEW Reality
增强虚拟现实中的虚拟食物咀嚼体验
（映维网Nweon 2025年08月14日）尽管虚拟现实的触觉界面已经得到了广泛的研究关注，但VR中的面部触觉甚少得到探索，特别是在虚拟食物摄入方面。在一项研究中，由香港城市大学和新加坡国立大学等组成的团队介绍了VirCHEW Reality。这种面部佩戴触觉设备旨在提供对面部的动觉力反馈，以增强虚拟现实中的虚拟食物咀嚼体验。
VirCHEW Reality利用气动驱动系统，控制空气的膨胀和收缩过程，模拟食物质地的机械特性，如硬度、黏性和粘性。团队通过三个用户研究来评估这个系统。首先，一项just- visible difference （JND）研究检测了用户在咀嚼动作时，对不同程度的面部气动动觉反馈的敏感度和系统能力。
在第一项研究中发现的用户可区分的信号范围的基础之上，他们进一步进行了匹配研究，以探索设备提供的动觉刺激与用户感知的食物质地之间的对应关系，而结果揭示了在咀嚼过程中模拟食物质地特性的能力（例如，硬度，黏性，粘性）。
最后，一项关于虚拟现实进食场景的用户研究表明，与没有触觉反馈的情况相比，VirCHEW Reality可以显著提高用户对临场感的评分。这一研究结果进一步强调了虚拟/远程餐饮、医疗保健和沉浸式娱乐方面的潜在应用。
近年来，研究人员探索了各种各样的触觉设备来模拟真实世界的触摸感觉，增强VR环境中的多感官体验。在各种现实世界的经历中，食物摄入/进食作为生存的基本活动脱颖而出，是日常生活中最常见的经历之一。
在进食的过程中，从视觉外观和芳香线索到我们手和嘴里的触觉反馈，我们的体验是由多种同时发生的感觉塑造的。通过人机交互（HCI）增强和模拟这些多感官饮食体验，可能有助于通过更好的食物选择改善健康，丰富社会互动和感官享受。
然而，由于反馈方式的复杂性，创造令人满意的虚拟饮食体验仍然具有挑战性。业界已经探索了通过利用不同的模式来模拟或增强虚拟饮食体验的不同方法，例如增强现实中的视觉叠加，舌上电刺激，下唇的热反馈，咀嚼声音，以及手持连接的动感反馈或基于干扰的代理等等。
然而，相关研究依然缺乏对具有运动反馈的可穿戴设备的探索。食物质地的感知（如硬度、黏性和粘性）是创建虚拟饮食体验的一个关键但特别具有挑战性的方面。食品质地包括流变学和结构属性，而这主要是通过触觉感受器感知。口腔的触觉不仅有助于即时的感官愉悦，而且在塑造我们对食物质量和满意度的整体感知方面起着关键作用。
为了模拟虚拟进食场景中的食物质地，有的研究人员提出对咀嚼肌、口腔组织或舌头进行电刺激。然而，相关方法可能引起对卫生和使用者安全的关注（例如触电）。或者，有的研究探索了跨模态相互作用，例如视觉面部变形或修改咀嚼声音，以改变虚拟食物质地感知，但这些方法缺乏真实体验所需的物理力反馈。
尽管现有的方法已经证明了食物质地模拟/修改的潜力，但我们尚不清楚力或动觉反馈如何促进食物质地渲染和增强虚拟现实中的虚拟进食体验。
在一项研究中，由香港城市大学和新加坡国立大学等组成的团队介绍了VirCHEW Reality（图1）。这种面部佩戴的触觉界面主要通过可控的气动信号在VR中模拟食物纹理。当用户移动下巴执行咀嚼动作时，气动信号进一步提供面部力反馈。这可以模拟咀嚼过程中各种食物质地的机械特性。
团队通过三个用户研究来评估这个系统。首先进行了一项心理物理研究，以评估VirCHEW Reality产生的气压反馈的just- visible difference （JND）。结果表明，系统可以提供三个不同层次的力刺激，分别在张开和关闭下巴的阶段。接下来的匹配研究表明，力刺激与真实食物质地在硬度、内聚性和粘性方面分别具有对应关系。最后，在VR进食场景中的用户研究表明，与没有触觉反馈的情况相比，所提出系统在存在感方面的评分明显更高。
为了评估VirCHEW Reality的性能，团队进行了技术评估，重点是，脉冲宽度调制（PWM）信号与腔室压力之间的相关性。具体来说，使用基于Arduino的传感器系统（空气压力传感器：XGZP6847A100KPGPN）测量占空比范围为10%至80%的压力水平，增量为10%。对于每个占空比值，记录空气室中的压力，并在传感器记录的九次测量中取平均值。
根据记录的数据，团队实现了一组线性回归模型（图4），而它可以将PWM信号映射到相应的压力水平。另外，研究人员评估了在达到三个参考压力水平（10 kPa, 25 kPa, 40 kPa）时，系统对膨胀和收缩的响应时间。具体来说，他们评估了：膨胀/紧缩时间：触发后从怠速状态达到特定压力水平所需的时间；恢复时间：气室排入大气后，系统恢复到空闲状态所需的时间。结果表明系统可以快速达到实时交互的目标压力水平。
当然，团队坦诚当前系统存在一定的局限性。首先，所提出方法专注于固体/半固体食物，并且仅限于最初的咀嚼阶段，忽略了质地感知随时间的动态变化。未来的研究应该探索自适应力反馈，例如根据咀嚼强度或持续时间实时调节气动压力或纹理模式，以模拟食物从固体到半固体或液体状态的逐渐转变。
其次，参与者之间的感知差异，特别是在研究2中，指出了未来关于触觉敏感性个体差异如何影响模拟食物质地感知的研究。另外，应该解决长期可用性问题，例如用户疲劳、舒适和卫生问题，特别是考虑到在实际应用程序中长时间使用的可能性。未来的迭代应该优先考虑轻量化，符合人体工程学的设计，以尽量减少物理压力，确保延长或重复使用的实用性和舒适性。
总的来说，VirCHEW Reality是一种面部佩戴的触觉设备，可以提供对面部的动觉力反馈，以模拟咀嚼不同硬度，粘性和粘性食物的体验。用户研究表明，VirCHEW Reality可以产生不同程度的动觉力，可以进一步与不同的食物质地相匹配。更重要的是，系统可以显著改善用户在VR中吃虚拟食物的体验。
研究结果强调了面部动觉反馈丰富虚拟用餐体验的潜力，而这可能会在虚拟/远程用餐、医疗保健和沉浸式娱乐中得到应用。
