东京大学与萨尔大学团队开发基于皮肤拉伸反馈的扩展身体部位感知系统
假想关节与肌肉
（映维网Nweon 2025年09月01日）诸如第三只手臂或尾巴等扩展身体部位，有潜力为用户提供新的身体体验和能力。在一项研究中，东京大学和萨尔大学团队提出了一种特殊的方法，通过引入“假想关节与肌肉”的概念，使用户能够在不依赖视觉的情况下，直观地感知此类扩展身体部位的姿态和运动。
所提出方法通过皮肤拉伸，基于扭矩信息提供本体感觉反馈。具体来说，在用户身体与扩展身体部位的接口处放置一个“假想关节”，关节周围的皮肤会根据扩展身体部位的运动而被拉伸或压缩。这使得用户能够以一种接近先天本体感觉的方式感知运动。系统计算扩展部位运动所需的扭矩，并将其反馈给用户，这使得所述方法可广泛应用于多种场景。演示表明，用户可以直观地感受到多个扩展部位和各种场景，这突显了所提出方法的广泛潜力和多功能性。
近年来，增加额外肢体、手指或尾巴的“扩展身体”技术因其在VR/AR等领域提升人类能力、辅助任务和丰富体验的潜力而受到关注。通过引入新的身体功能，如第三只手臂，这种技术可以弥补丧失的功能、改善多任务处理并扩展创造性表达。
一个关键挑战在于提供自然的本体感觉反馈，使用户能够像感知先天肢体一样感知这些人造部位的姿态和运动，而非仅仅依赖视觉线索。先前的研究曾使用振动来传递末端执行器的位置，但这种模态与真实的本体感觉存在显著差异。尽管神经电刺激可以利用现有的神经通路用于假肢应用，但它不太适用于原本不存在的身体部位。
在研究中，东京大学和萨尔大学介绍了的系统可以在用户与扩展肢体之间的接口处创建一个“假想关节”，利用皮肤拉伸来模拟扭矩并唤起“假想肌肉”的感觉。系统的灵感源于先前关于在残肢中使用皮肤拉伸反馈来传递假肢姿态感的研究。通过计算每个动作所需的力并通过皮肤拉伸传递，用户可以更自然地感知扩展肢体的姿态和运动，从而减少对视觉的依赖。演示突显了该方法的广泛适用性，有望在扩展身体场景中提供更直观和沉浸的体验。
系统根据扩展身体部位的运动，计算应在该部位根部产生的扭矩，并将该扭矩以皮肤拉伸的形式传递给用户。团队考虑了两种操作模式——被动模式和主动模式——以适应虚拟身体部位可能运动的各种场景。最终扭矩值通过一个非线性、单调递增的函数进行映射，其中函数考虑了用户对皮肤拉伸的敏感度。
被动模式假设用户允许扩展部分被动运动，例如尾巴随臀部运动而摆动。他们使用弹簧-阻尼系统来近似该运动，其中振动会随时间收敛。设𝜃为偏离平衡位置的角度，𝑘和𝑏为比例常数。基座施加的扭矩𝑇由下式给出：𝑇 = −𝑘𝜃 − 𝑏𝜃̇ 。
尽管质量𝑀或转动惯量𝐼等惯性项未明确出现在此公式中，但𝑇随时间的变化反映了扩展部位的重量。当扩展身体因外力（如碰撞或其他用户的互动）而发生位移时，不精确计算所有外部扭矩，而是为用户提供一个旨在使扩展部位恢复初始位置的恢复力。
主动模式则用于用户主动控制扩展部分的情况。例如，当它通过运动映射抓取或操控物体时，或当预定义动画驱动其运动时。在此模式下，考虑该部位的转动惯量𝐼。令𝑇𝑜𝑢𝑡𝑒𝑟代表外部扭矩，例如来自扩展部分所抓握物体的扭矩。扭矩𝑇由下式给出：
𝑇 = 𝐼𝜃̈ −𝑇𝑜𝑢𝑡𝑒𝑟。 通过计算每个动作的最终扭矩并通过皮肤拉伸进行反馈，用户能感受到对应于内部力和外部交互的类肌肉感觉。
与其他方法不同，系统可广泛应用于用户身体上几乎任何有皮肤存在的区域。“假想关节”的隐喻适用于任何控制方案，并能与物理模拟、关键帧动画以及基于映射的扩展肢体控制无缝集成。通过使用这种隐喻而非仅仅是信息反馈，它为用户提供了更直观、自然的运动感觉。
在演示中，用户主动或被动地操控第三只手臂、尾巴或翅膀，通过假想的本体感觉线索体验这些运动。特别值得注意的是，即使闭上眼睛，用户都能感知扩展部位的大致施力和位置，这表明所述方法具有实现更直观交互和减少对视觉反馈依赖的潜力。
