嬰兒離開母體，從濕潤的暖房來到人間，溫度變化的不適讓他發(fā)出第一聲啼哭;10歲時(shí)貪玩成績差，母親的巴掌落在手臂上，疼痛讓他記住，不努力就會(huì)挨打;17歲時(shí)被喜歡的女孩拒絕，夏天灼熱的陽光和身上的黏膩的汗?jié)n裹挾著失望，是酸澀的青春;35歲創(chuàng)業(yè)失敗，他癱坐在沙灘上，冰冷的海水一下又一下沖擊著這個(gè)中年人最后的意志;89歲，躺在病床上，他握住愛人的手，皮膚干枯卻溫暖而有力，讓人心安，隨后他沉沉地睡著了…

當(dāng)人回顧自己的一生，不難發(fā)現(xiàn)那些刻骨銘心的回憶往往伴隨著身體的觸感。因?yàn)橛|覺是人體發(fā)展最早、最基本的感覺，也是人體分布最廣、最復(fù)雜的感覺系統(tǒng)，是人類認(rèn)識(shí)外界事物，探索世界奧秘的重要途徑。

盡管人們因觸覺得到的感受遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)先于視覺、聽覺，但在生活中，閉上眼就失去了視覺，捂住耳朵就失去了聽覺，很難理解失去觸覺的感受，所以我們往往會(huì)忽略觸覺的重要性。

在元宇宙中亦是如此，在視覺、聽覺等感知已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的元宇宙中，觸覺技術(shù)卻仍然停留在相對(duì)于初級(jí)的階段。清華大學(xué)材料學(xué)院教授朱宏偉表示，元宇宙將各種感官技術(shù)融合，而其中最核心的一部分便是體現(xiàn)觸覺的傳感技術(shù)。

可以說，觸覺傳感技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了需要具體實(shí)踐的條件，但如何利用觸覺傳感器屏蔽掉人體原有的感知，獲得新的感知并使其增強(qiáng)達(dá)到逼真的效果，正是實(shí)現(xiàn)元宇宙的關(guān)鍵一環(huán)。

從觸覺傳感到觸覺智能

《頭號(hào)玩家》主人公在完成第一項(xiàng)彩蛋任務(wù)得到獎(jiǎng)金后，第一件事就是購買了夢(mèng)寐以求的X1觸感套裝進(jìn)入游戲世界體驗(yàn)一番，女主角輕輕地拍了拍他的肩膀，瞬間兩人就牽手在舞池中旋轉(zhuǎn)舞蹈，X1套裝讓他感受到了觸覺，感受到了溫度，就像真正在與人舞蹈一樣。

“沉浸感”是在元宇宙中暢游的必要條件，X1套裝正是解決沉浸感的最佳方案。而在元宇宙中想要做出一件像X1觸感套裝一樣的穿戴設(shè)備，需要觸覺傳感器達(dá)到非常智能的水平。

朱宏偉認(rèn)為，觸覺傳感器包括傳感材料、軟件、硬件三大部分，其中傳感材料是核心部分。傳感材料收集外來刺激的物理信號(hào)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳到數(shù)據(jù)分析和處理模塊，再傳到反饋、驅(qū)動(dòng)模塊。在這個(gè)體系中，材料的占比無論從空間上還是從質(zhì)量上都應(yīng)是微小的，同時(shí)滿足輕、薄、柔、強(qiáng)、導(dǎo)、透、容等特性。所以從功耗角度考慮，傳感器將采用光電、人體運(yùn)動(dòng)供能等新能源供電模式。

軟件層面包括數(shù)據(jù)處理和分析。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，以及神經(jīng)形態(tài)計(jì)算概念的提出，通過結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)以及生命形態(tài)計(jì)算來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理都極大地?cái)U(kuò)充了觸覺信號(hào)處理的工具和手段。

硬件層面包括模擬仿生人體、肢體，還有一些驅(qū)動(dòng)器件等。最早的觸覺傳感器體驗(yàn)只有簡單的壓力感應(yīng)，隨著對(duì)觸覺的進(jìn)一步分析，研究人員發(fā)現(xiàn)觸覺包含了溫度、濕度、表面流動(dòng)等綜合感知。在硬件上也從簡單壓力傳感到觸感的集成，從手持式到穿戴式再到植入式，將觸覺傳感器信號(hào)與人體感知信號(hào)更好地融合。

朱宏偉認(rèn)為在元宇宙中觸覺的實(shí)現(xiàn)方式是植入式與穿戴式。植入式設(shè)備是將觸感芯片植入皮膚的皮下組織內(nèi)嵌目前已有諸多例如血糖監(jiān)測(cè)、腦機(jī)接口等植入式生物傳感器來達(dá)到觀測(cè)各種生命體征信號(hào)的效果。在目前的設(shè)想中，植入式觸覺傳感芯片是用來在某些特殊場景下對(duì)缺失觸覺進(jìn)行修復(fù)。

穿戴式設(shè)備需應(yīng)具備可編織性，與衣物結(jié)合，或?qū)鞲衅鞑牧腺N在皮膚上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布線?！叭绾螌鞲胁牧?、軟件、硬件三者集成耦合，且沒有串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一的可靠性、一致性、耐用性是目前布局元宇宙?zhèn)鞲衅魉媾R的最大難題?！敝旌陚フf道。

多重感知疊加出的真實(shí)

盡管理論與實(shí)踐證明觸覺傳感可以實(shí)現(xiàn)，但想要在元宇宙中應(yīng)用仍然需要時(shí)間。因?yàn)橛|覺是一種復(fù)雜的感知，傳統(tǒng)的單一壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器無法滿足元宇宙的場景需求。而觸覺傳感器處理的數(shù)字內(nèi)容需要更加接近現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感知，才能讓用戶獲得更好的沉浸體驗(yàn)。

由于觸覺感知復(fù)雜，觸覺傳感就注定是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的技術(shù)。從材料到算法，再到驅(qū)動(dòng)是一個(gè)多功能集成體系。傳感材料涉及到材料物理、化學(xué);算法涉及計(jì)算、信息;反饋細(xì)節(jié)涉及電子、微電子，整體與人工智能、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算甚至類腦器件結(jié)合，因其涉及學(xué)科領(lǐng)域十分廣泛，所以對(duì)算法的要求也更加嚴(yán)苛。

高要求的算法往往被認(rèn)為需要極高的精準(zhǔn)度及靈敏性。但朱宏偉并不認(rèn)為觸覺傳感器是越靈敏越好。在他看來，對(duì)于機(jī)器而言，所有傳感器都有一個(gè)弊?。簾o法同時(shí)滿足靈敏性和可靠穩(wěn)定性這一矛盾的特性。

所以一旦追求極致的靈敏度時(shí)，穩(wěn)定性和可靠性就必然會(huì)下降。如何平衡二者的關(guān)系是目前傳感技術(shù)有待解決的問題，就好比我們眼睛比不上相機(jī)高清，嗅覺也不如搜救犬般靈敏，但我們?nèi)匀荒軌虺浞指惺苁澜绲拿篮谩?/p>

另一個(gè)對(duì)觸覺傳感技術(shù)的挑戰(zhàn)是在元宇宙中，如何利用觸覺傳感屏蔽人體自身觸覺，獲得超越人類感知的能力。朱宏偉表示，當(dāng)觸覺傳感器施加到人體上時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種表象，一種是觸覺傳感器作用在人體上的感知，一種是人體本身的觸覺感知。為了能有更加沉浸的體驗(yàn)感，在元宇宙中需要屏蔽身體原有的感知，并獲得新的感知，這或許需要兩套傳感在同時(shí)進(jìn)行。

元宇宙正在獲得觸覺感知

對(duì)于觸覺傳感技術(shù)，研究人員從未停止探索的步伐。目前在全球范圍很多實(shí)驗(yàn)室內(nèi)包括美國的斯坦福大學(xué)、西北大學(xué)，日本的東京大學(xué)，新加坡國立大學(xué)等都在進(jìn)行觸覺傳感器相關(guān)領(lǐng)域的研究。

2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者是美國科學(xué)家大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安，因在感受溫度和觸覺方面的發(fā)現(xiàn)獲獎(jiǎng)。大衛(wèi)·朱利葉斯利用辣椒素(一種來自辣椒的刺激性化合物，可引起灼熱感)來識(shí)別皮膚神經(jīng)末梢中對(duì)熱有反應(yīng)的傳感器。阿登·帕塔普蒂安使用壓敏細(xì)胞發(fā)現(xiàn)了一類新型傳感器，可以對(duì)皮膚和內(nèi)部器官中的機(jī)械刺激做出反應(yīng)。

進(jìn)軍元宇宙的Meta(原Facebook)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室(RL) 于2021年3月推出了觸覺感知手套，這款手套可以在虛擬世界中再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的一系列觸覺感覺，包括模擬人手撫摸材質(zhì)紋理的感覺、壓力反饋以及振動(dòng)反饋。

圖片來自：Meta Reality Labs

這項(xiàng)技術(shù)借鑒了軟體機(jī)器人領(lǐng)域最近的進(jìn)展，用微型氣閥取代了笨重的電機(jī)。與此同時(shí)，朱宏偉認(rèn)為尋找例如石墨稀這種二類材料，與皮膚進(jìn)行貼合是未來傳感材料的發(fā)展趨勢(shì)。從目前的研究來說，也可以利用對(duì)傳統(tǒng)傳感材料可以改進(jìn)，例如將傳統(tǒng)的觸覺傳感材料進(jìn)行微型化，進(jìn)行分布式或特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足目前的使用需求。

但微型化的觸覺傳感器在能耗方面要求也更為苛刻。可以利用太陽能、人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能源等新能源持續(xù)供能，或使用在非工作時(shí)間不會(huì)耗費(fèi)電量的無緣電阻式傳感器。除此之外，觸覺傳感器的能耗也與器件模塊的布局排陣數(shù)量有關(guān)，但總體而言能耗應(yīng)控制在微瓦甚至納瓦的級(jí)別。

朱宏偉表示，元宇宙產(chǎn)業(yè)未來如何發(fā)展，取決于未來人類生存方式、生活習(xí)慣的需求。例如柔性電子技術(shù)已發(fā)展多年且技術(shù)相對(duì)成熟，但目前人們的生活方式對(duì)柔性屏并沒有足夠高的需求，反而更適應(yīng)傳統(tǒng)的硬性屏。但在元宇宙的世界里，柔性電子及可穿戴器件，一定將成為核心部件。

觸覺傳感器在近些年一直保持著十分迅猛的發(fā)展趨勢(shì)，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)的概念和新興產(chǎn)業(yè)的崛起，觸覺傳感器會(huì)迎來更大的發(fā)展契機(jī)。同時(shí)他預(yù)測(cè)，未來3-5年就可以實(shí)現(xiàn)觸覺傳感在元宇宙某些領(lǐng)域和場景里的應(yīng)用。

詩人歌頌生命來到地球上：“出生了啊 我，好不容易才來到這里，眼睛還沒睜開，耳朵也聽不見，但是我知道，這是多么美好的地方?！碑?dāng)一個(gè)人第一次進(jìn)入元宇宙時(shí)，還沒看到，還未聽到，但身體的感知就會(huì)告訴他——?dú)g迎來到這個(gè)美妙的世界。