嗅觉增强虚拟现实技术在未来元宇宙应用方面的进展

元宇宙头条中国站 2024-08-03 14:00:00 热度 3943

元宇宙头条

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虚拟现实技术的最新进展加速了人类与增强 3D 虚拟世界之间的沉浸式互动。本文作者讨论了促进与现实和虚拟物体互动的嗅觉反馈技术，以及沉浸式 VR/AR 应用的可穿戴设备的发展。

可穿戴技术的演变，用于增强虚拟现实/增强现实应用中的沉浸式交互。

虚拟现实 (VR) 技术通常采用视觉和听觉设备，例如头戴式显示器和 VR 护目镜，但可以通过可穿戴设备（包括手套、外骨骼、鞋子等）和电子皮肤 (e-skin) 1 实现在虚拟空间中的进一步沉浸。这些可穿戴设备能够实现全身感官知觉或感觉，需要能够感知人体运动、模拟感觉，并且灵活且让用户感到舒适（图 1）。最近，用于检测物理信号（例如拉伸、压力、温度等）的传感器蓬勃发展。它们可用于生物传感和检测人体运动信号。此外，集成多种类型的柔性致动器（例如肌腱致动器、气动致动器和静电致动器）的可穿戴系统可以分别实现运动、电触觉、振动触觉和热触觉反馈。这样的系统为皮肤的感觉受体提供触觉刺激。多模态触觉反馈通过增强人与虚拟环境之间的交互，为用户带来更好的沉浸式感官体验。例如，配备了多模态传感（包括触觉、温度传感）和反馈（包括振动和热触觉刺激）的增强触觉感知和触觉反馈环展示了超越商用环的潜力。使用执行器阵列的皮肤集成无线触觉界面为复杂的反馈提供了多模态机制。在这个界面中，各种反馈模式（包括机械、电触觉和热）被用于选择性地针对不同的皮肤受体，为用户提供多样化的触觉5。VR 显示技术与这种多模态体感融合以实现全身感知和反馈对于未来的元宇宙应用至关重要。增强的 3D 虚拟社会，即 4D VR 世界，可以促进社交互动、教育、娱乐、医疗保健等各个领域的智能互动体验。

嗅觉与传统的视觉、听觉和触觉同样重要，对人类既有生理影响，也有心理影响。嗅觉在塑造人类体验方面发挥的关键作用是不可否认的，因为日常生活的许多方面都受到气味的影响，这些气味来自工业过程、交通、家用产品等。随着化学、生物学和神经科学的重大进步，气味传感器（气体/液体传感器）正在见证由传统刚性和创新的柔性传感电子设备促进的复杂气味混合物解码的快速发展。它们提供了非侵入性方法来检测生物标志物并告知人类和植物的代谢过程和疾病进展，因此对实时健康监测和即时诊断具有极大的吸引力。开发了一种基于酶反应的高灵敏度生物荧光气体传感器“生物嗅探器”，用于测量饮酒后经皮乙醇 (EtOH) 的浓度。同时，基于人工智能 (AI) 的数据分析的出现为增强传感器功能以实现智能传感带来了潜力。利用机器学习强大的特征提取功能，可以辨别和利用复杂信号输出中以前微妙的宝贵特征，这些特征可用于实现高级感官知觉。通过利用生物启发的嗅觉触觉相关人工智能算法，开发了一种触觉嗅觉传感阵列，允许在没有视觉输入的情况下实时获取各种物体的局部地形、硬度和气味。此外，单个压电悬臂用于在湿度和温度干扰下检测温度和二氧化碳浓度，以实现非接触式感觉并监测人体呼吸和植物生态系统8。光子鼻/舌是利用光学技术模拟人类嗅觉系统的新兴重要工具。中红外光子鼻/舌通过分析液态气体样品的吸收光谱来区分不同的嗅觉。它们具有高灵敏度、快速响应和非接触式检测等优势，使其在医疗、食品工业和环境监测应用中具有重要价值。人工智能增强光学传感技术中超越人类能力的人工鼻和舌头的开发和应用，对于提高气味和味道检测的灵敏度和准确性至关重要。

与视觉、听觉和触觉通道不同，嗅觉是一种非线性化学感觉，因此开发一个技术全面的嗅觉反馈系统来精确控制气味的产生和传递极具挑战性。迄今为止报道的嗅觉反馈技术仍然面临着巨大的挑战。目前的嗅觉生成技术存在体积庞大、气味种类有限和响应时间慢等问题。这种嗅觉生成技术主要与在封闭区域/房间内产生气味的大型仪器或内置的笨重 VR 设备有关。因此，这些嗅觉反馈方法远远落后于基于视觉/听觉的 VR 设备的进步，从而严重限制了它们的潜在应用。例如，基于电磁阀和表面声波雾化器开发了一种用于混合任何食谱中的多种成分的嗅觉显示器。然而，庞大的电路和系统使得它们难以成为可穿戴解决方案。此外，还利用集成静电场加速蒸发功能的仿生纤维膜（BFM）实现了虚拟嗅觉生成系统。虽然它实现了可穿戴和4种气味生成的功能，但该系统的响应时间仍有待提高。因此，刘等人报道了一种基于柔性微型气味发生器（OG）阵列的具有无线可编程功能的皮肤界面嗅觉反馈系统，用于嗅觉VR应用，该系统表现出卓越的性能，包括对气味浓度的快速响应速度、长时间连续运行、强大的机械/电气稳定性以及最小的功耗。此外，他们还开发了一种具有先进人工智能（AI）算法的OG阵列，在毫秒级响应时间（70 ms）、毫瓦级功耗（84.8 mW）、小型化尺寸（11 mm × 10 mm × 1.8 mm）和高稳定性（连续运行12小时）等性能方面取得了里程碑式的进步。具有毫秒级响应时间、毫瓦级功耗、小巧尺寸、高稳定性和大量气味源的小型化嗅觉发生器在电子产品和用户之间架起了一座桥梁，广泛应用于从娱乐到教育、医疗和人机界面等领域。与传统的嗅觉反馈技术相比，刘等报道的基于控制加热温度的气味石蜡物理相变的气味发生器在实现32种气味方面取得了进展，并且浓度可调，工作时间长，支持长期使用而无需频繁更换。此外，整个系统首次建立在与皮肤一体化的软基板上，并配备配对的智能电子控制面板，可根据用户需求远程操作各种选择性气味类型。

通过利用先进的嗅觉反馈和可穿戴/柔性技术，微型、轻量化、柔性化的高通道气味生成阵列拓展了VR应用的交互潜力，实现体验式学习和情绪调节用户通过现实世界的事件触发来控制虚拟世界中的气味生成，可以更好地帮助初学者识别不同花草的气味，发挥教学作用，也可以作为VR游戏中的重要反馈，例如在虚拟果园中采摘不同的水果、模拟插花等。此外，嗅觉生成技术的重要性在于它能够通过模拟各种气味来激发情绪反应、深化认知参与，从而增强沉浸感和真实感。VR主要针对视觉和听觉，但加入嗅觉刺激可以丰富感官体验，在虚拟环境中产生更深刻的临场感。嗅觉线索已被证明能触发生动的记忆和情绪反应，从而有助于提高认知和情感参与度。嗅觉反馈还可以实现嗅觉训练，以改善由各种原因引起的疾病，例如上呼吸道感染、创伤、特发性因素和神经系统疾病。此外，研究表明，在训练方案中加入更多种类的气味可以提高嗅觉功能的改善速度。嗅觉反馈的未来正在向嗅觉编码方向发展，利用神经科学分析实现从化学结构到嗅觉感知的映射，并利用微电子技术实现对复杂混合气味的量化反馈。开发双向人工智能算法以增强气味识别和气味生成，以实现高级元宇宙应用的系统是下一个里程碑技术。通过将嗅觉线索与视觉、听觉和触觉反馈相结合，可以使虚拟环境更加全面和逼真，从而将应用领域扩展到娱乐、教育和医疗保健等各个领域，为用户提供更加多样化和身临其境的感官体验。例如，在火灾逃生练习中，可以通过基于刘等人的气味发生器技术提供烟雾气味 , 和基于热触觉反馈提供高温感觉，来实现训练的逼真度和有效性未来，先进的微纳米技术或将助力创造新的嗅觉发生器以及元宇宙应用所需的电子控制装置。

可穿戴嗅觉界面的虚拟现实应用。