为VR插上“触觉之翼”，南方科技大学研发HapticWings触觉设备
模拟翅膀
（映维网Nweon 2025年10月21日）在虚拟现实中，我们的虚拟身体可以具有与真实身体不同的特征，例如外观，大小，甚至是额外的身体部位。先前的研究表明，触觉反馈增强了用户对不同化身的感知。特别是，重量转移装置显示出增强手臂变形的潜力。然而，业界尚没有太多地探索使用这种技术来增强身体额外部位的化身，比如翅膀。
在一项研究中，南方科技大学团队介绍推出了HapticWings。这是一款背部可穿戴的2D重量转移装置，可以为翅膀运动提供触觉反馈，增强用户对额外翅膀化身的体现。在三个用户研究中，研究人员探索了用户对HapticWings提供的不同重量转移运动的识别能力；用户在对翅膀运动提供触觉反馈时感知到的带额外翅膀化身；以及四种可能的应用，并使用其中两种来评估用户在VR中的真实感和享受感。
自古以来，人类就渴望改变和扩展自己的身体，在许多文化和现代作品中都可以找到相关的概念，例如拥有兽人的外表（如欧洲民间传说中普遍存在的狼人概念），改变身体大小（如爱尔兰神话中的小妖精），伸展手臂变形（如日本漫画中的海贼王），拥有翅膀（如希腊神话中的伊卡洛斯）等。
随着虚拟现实技术的发展，我们可以将真实的身体转化为虚拟化身，在VR中可以呈现不同的身体，从而克服我们人类的局限性。真实和虚拟之间的不匹配影响了化身的用户体验。为了克服这一挑战，以往的研究主要采用了两个关键策略。第一种方法结合视觉和控制感官信息来操纵虚拟现实中的化身。第二种策略使用触觉反馈，如振动、皮肤拉伸、重量转移等。
他们的研究表明，在虚拟现实中，使用触觉反馈来增强用户对不同化身的具身感是有潜力的。特别是，先前的研究使用带有重量转移的触觉反馈来增强手臂变形的代入感。然而，使用这种技术为额外的身体部位运动提供触觉反馈尚未得到充分探索，如翅膀。
所以在研究中，南方科技大学团队介绍了HapticWings。这是一种背部可穿戴的触觉设备，并使用动态的2D重量转移来增强用户额外翅膀的化身感。HapticWings使用两个伺服电机旋转重量移动臂和两个步进电机驱动臂上的可移动重量来产生2D重量转移。通过动态改变可移动重量的位置，HapticWings可以为额外的机翼运动提供触觉反馈，增强翅膀运动的用户体验。
图2说明了它的设计。HapticWings拥有两个独立的重量转移臂，这与翅膀不对称运动的可能性相匹配。HapticWings的中心是一个3D打印的矩形块（200𝑚𝑚× 190𝑚𝑚）。这个块集成了一个改进的背包系统，肩带和两条腰带，以适应用户的身体。设备底部附有一个棉袋，以舒适地配合用户的背部。HapticWings系统由角度机制，重量转移机制和电子和通信组成。
角度机制采用聚乳酸（PLA-CF）材料制成的两个独立可旋转的臂，强度高，减少了重量转移过程中可能出现的悬臂效应。每各臂用螺丝固定在舵板，并连接伺服电机（LD-150MG, 12V, 158g）。伺服电机可以提供14.71的转矩，确保臂在旋转的任何时候都保持角度位置。
HapticWings的每只旋转臂都有一个可移动的模块，称为重量模块。这个重量模块包含一个步进电机（HANPOSE 17HS6001S, 24V, 450g），一个PLA外壳（85𝑚𝑚×46𝑚𝑚×45𝑚𝑚），一个滑块（47.1𝑚𝑚× 32𝑚𝑚× 12𝑚𝑚），和一个正齿轮（齿轮14，模块1.5）。步进电机放置在PLA外壳中，与滑块相连。滑块安装在与臂相连的导轨上，齿轮固定在轴上，与臂相连的齿条啮合。
PLA外壳为添加金属钨提供了空间，以调节模块的总重量。通过驱动步进电机，重量模块沿着旋转臂移动。另外，不可移动物体的重量约为278克。可移动模块的总重量为656g，包括电机、滑块、金属齿轮和其他（如3D打印和螺钉）。因此，活动重量约占每只旋转臂总重量的70.2%。
HapticWings通过微控制器（Arduino Mega 2560）进行操作。微控制器使用PWM驱动角机制中的伺服电机，并由12V直流电源（SP 3010）供电。微控制器还通过步进驱动器（HPD 322）控制步进电机，由24V直流电源（SP 3010）供电。微控制器和PC机之间的通信是通过9600波特率的串行集建立。重量模块的最大速度受整个重量本身的影响，特别是在垂直方向。
团队测量了步进电机在不同添加重量下没有步损的最大垂直速度。添加重量为0 g、100 g、200 g、300 g、400 g和500 g时，相应的最大速度分别为39.6、36.3、33.0、29.7、29.7和26.4 cm/s。总的来说，两臂旋转覆盖了两个四分之一的圆（半径430毫米），间隔108毫米，总面积为2904平方厘米。重量模块可以放置在58.9%的区域内（1710 cm2）。HapticWings的总重量为3230克，没有任何额外的重量。
图10显示了7分李克特量表对真实感和享受感的主观评价。实验统计结果表明，HapticWings显著增强了用户在VR体验中的真实感和享受感。
总的来说，HapticWings是一种背部可穿戴的触觉设备，通过动态2D重量转移来增强带有额外翅膀的化身。为了探索HapticWings的使用，团队进行了三项用户研究，并用户可以识别9种不同的重量转移动作，平均准确率为78.4%；用户在提供翅膀动作的触觉反馈时，对额外翅膀的化身评分更高（𝑝< 0.001）。研究人员同时，提出了四种可能的应用，并展示了设计师如何利用HapticWings提供的触觉反馈来增强用户在VR中的真实感和享受感。最后，实验证实了HapticWings可以增强额外翅膀运动的用户体验。
