韩国科学技术院为VR发布超声波悬空触觉反馈界面
Ultraboard可以根据用户手指的位置物理调整超声波换能器阵列的相对位置，从而在手部运动的情况下提供均匀的触觉强度
（映维网Nweon 2025年10月21日）VR中的裸手交互直观、易学，适用于VR打字等基础交互。但在执行输入时，缺乏触觉反馈会降低空间意识和沉浸感，影响准确性并增加疲劳。尽管以前的研究嵌入了触觉反馈，但它们要么需要与皮肤持续接触，要么需要安装固定距离的装置。
针对这个问题，韩国科学技术院团队提出了Ultraboard。这种新颖的可穿戴触觉界面为手部所有区域（包括指尖）提供超声波悬空触觉反馈。它们可以根据手部运动和位置自适应控制相控阵的位置，为实时VR打字输入提供一致的触觉反馈。
通过仿真和实验，设计并验证了支持手部输入的定制超声相控阵。通过这一过程，团队提出了手指级可穿戴超声半空触觉接口和系统的开发指南。一项后续的用户研究显示，Ultraboard在打字信心和可用性方面有了显著的提高。值得注意的是，界面启用了悬空触觉打字警报，增强了VR打字时的用户体验。研究结果显示出，利用悬空触觉界面可以提高VR打字的信心。
VR环境中的裸手交互是一种直观、用户友好的交互方式。随着Meta Quest 3S等商业化头戴式显示器的嵌入式手部追踪系统性能的进步，自由手交互和手势识别已成为执行VR输入（如VR打字）的主要方法。尽管如此，由于手部遮挡时潜在的追踪丢失，用户的手必须在摄像头视场内保持畅通。这限制了可用的工作空间体积，并限制了VR交互过程中的自然手部运动。
另外，缺乏触觉反馈会导致用户疲劳，降低交互的可用性。特别是，在悬空交互过程中缺乏触觉反馈会导致临场感和空间意识的降低。这会导致用户高度疲劳，最终导致可用性下降。结合视觉和触觉刺激可以显著提高用户的感知水平，在悬空交互过程中提供触觉有可能提高用户体验和可用性。的确，用户在执行输入时更喜欢手指的触觉反馈，之前的研究已经显示出增强的沉浸感和真实感。因此，研究人员提出了各种各样的触觉设备，以提供逼真的感觉，同时最大限度地减少用户的不适。
提供触觉感觉的方法可分为基于接触的和非基于接触的触觉。基于接触的方法具有提供强触觉反馈和精确定位的优势。然而，这些方法要么需要特定的手部姿势，要么限制了使用时的运动范围。另外，基于接触的方法需要考虑适合各种人群的硬件，以保持舒适性和可感知的反馈。
相比之下，非接触式悬空触觉使用户在没有附加硬件的情况下可以更自由地运动。例如，AirWave支持使用空气涡流环的非接触式触觉反馈。不过，尽管AirWave可以将触觉反馈传递到特定位置，但它存在不准确和延迟的问题。
非接触式触觉的另一种形式是使用超声半空触觉（UMH）。UMH利用声波，在20°C下，以40 kHz的频率产生精确的焦点，分辨率约为8.6 mm，控制延迟不明显。另外，UMH支持渲染各种形状和纹理。尽管UMH的强度不足以提供恒定的压力，但足以支持振动或纹理等触觉。这显示了UMH作为一种多功能交互工具的潜力。
然而，由于超声波换能器的机械特性（如指向性和尺寸以及超声波的声学特性），UMH在呈现触觉反馈的有效体积尺寸方面存在局限性。具体来说，提供聚焦于特定点的触觉效果需要在用户和传感器阵列之间保持一定的距离。先前的研究提出了通过增大阵列尺寸来扩大超声换能器阵列的工作空间，使用机械臂来重新定位阵列，或者使用固定伺服电机来调整阵列方向。然而，相关方法依然需要将超声波换能器阵列安装在固定位置，这要么限制了工作空间的灵活性，要么需要过大的设备。
为了UMH的广泛适用性和可用性，有必要开发一种不限制用户移动或定位的新界面。可穿戴的外形使触觉的传递不受空间限制。然而，确保稳健的UMH性能需要的不仅仅是将固定的UMH接口转换为可穿戴形式。由于新界面必须由用户佩戴，因此最小化其尺寸以增强可用性至关重要。另外，它需要在整个手上提供可感知的反馈，包括适用性的手指。
在这项研究中，韩国科学技术院团队提出了一种新的可穿戴触觉界面Ultraboard，它可以根据用户手指的位置物理调整超声波换能器阵列的相对位置，从而在手部运动的情况下提供均匀的触觉强度。
为了实现这一目标，他们首先模拟了声辐射压力，以确定适合可穿戴UMH的超声换能器阵列的形状和尺寸。然后，团队确定了有效距离范围，并开发了一种算法和系统来保持它。与以往专注于手掌感知的超高强度研究不同，研究人员进行了实验，以确定指尖上可感知的最低超高强度。基于结果，设计了一个紧凑的界面，但能够提供足够强度的反馈，让用户能够感知到。
团队评估了VR打字的触觉界面的性能。与传统的基于固定超声换能器阵列的系统相比，这一研究显示了增强用户体验和扩展应用的潜力。换句话说，他们提供了基本的指导方针，并作为将固定式UMH系统推进到可穿戴形式的基础。
正如用户研究结果所强调的那样，降低可用性的主要因素是触觉界面的重量。相控阵（120克）占总重量的40%，可以通过硬件改进来减少。首先，可以更换电流传感器(MA404S；0.8 g)，较小的SMD型(MA40H1S；0.1 g)。尽管这一变化将使触觉强度降低约25%，但将传感器从直径10毫米和高度7毫米减少到5.2毫米× 5.2毫米× 1.15毫米，体积减少约94.34%。另外，用于信号放大的触觉驱动板可以小型化。通过将电压放大器与阵列上的每个传感器直接集成，将消除对单独驱动板的需求。
同时，传感器（28.5 g）和接口（45.3 g）板都是用厚度为1.6 mm的PCB制造。如果使用厚度为0.4 mm的轻质PCB，并将所有连接器和引脚替换为直接布线，则总重量可减少约70%。不仅只是这样，可以通过降低3D打印插座的内部密度和使用轻质带来减轻重量。Ultraboard的舒适性和重量都在可接受的范围内。然而，上述方法进一步减少了重量，使其与市售触觉手套（138克）相当。
当然，一个限制是触觉渲染管道中伺服电机控制的精度问题，这需要研究改进伺服电机控制的方法。目前，相控阵的定位使用单个伺服电机，它沿着一个轴旋转。通过引入额外的伺服电机，系统可以支持三个轴的旋转，从而实现手臂和手腕复杂的3D运动的精确对齐。
这将允许相控阵保持相对于焦点的有效位置和方向，即使相控阵尺寸最小，都能保持反馈质量。由于更大的相控阵可以实现更紧凑和更小的焦点产生，因此需要进一步研究确定控制相控阵定位的机械设计与相控阵尺寸之间的有效平衡，以管理可穿戴UMH系统固有的权衡。这种方法还可以最大限度地减少由于个体解剖差异造成的可用性差异。除了硬件改进之外，团队同时看到了与先进的触觉渲染技术进行各种交互的潜力。例如，驱动多个焦点可以表现复杂的形状，并进一步增强真实感。同时，不同层次的触觉强度可以用来表示刚度。
为了将固定UMH推进到手指级别的可穿戴UMH，必须针对手指进行UMH感知研究并最小化设备的尺寸。因此，团队模拟了不同形状和大小的相控阵产生的声压，以确定有效焦距以及支持腕带和手指特定反馈的相控阵。另外，他们进行了手指水平的感知研究，以确定指尖可感知的最小反馈强度，并验证了其可行性。
总的来说，Ultraboard是一种新颖的可穿戴触觉反馈系统，旨在提供手指特定的UMH反馈。对于Ultraboard这种触觉界面，无论用户的手部运动或动作如何，它都能始终如一地向手指提供触觉反馈。为了评估Ultraboard的主观和客观性能，团队进行了一项涉及打字场景的用户研究，而结果显示了用户信心和偏好的显著提高，因为触觉反馈为每次击键提供了清晰的提示。
值得注意的是，新引入的纠错互动显著减少了纠错时间，并被一些参与者认为是有效的。结果表明，针对手指的触觉反馈系统显示出在悬空交互中提供有效反馈的潜力。这一研究结果为手指级可穿戴UMH界面和VR打字交互设计提供了设计和系统指导。团队希望本研究为未来可穿戴UMH系统的研究奠定基础，为更紧凑、更集成的可穿戴接口铺平道路。
