VR也能闻气味啦——柔性小型化无线嗅觉接口

研究背景

最近的人机界面强调了人类感觉反馈的重要性，包括视觉、音频和触觉，与娱乐、医疗和VR/AR的广泛应用相关。嗅觉在人类的感知体验中起着重要作用，它与视觉和听觉反馈同样重要。作为典型的五感之一，嗅觉在塑造人类生活方面显示出至关重要的影响，因为日常生活的大部分方面与嗅觉有关，来自人造材料，工业，交通，家用产品等。例如，嗅觉可以帮助我们建立一个母亲和孩子之间的关系，挑选喜欢的食物，以及得到危险的警告。随着化学、生物学和神经科学的巨大进步，气味检测 (气体传感器)的研究随后扩展到通过传统的刚性电子器件和新型的柔性传感电子器件在极低浓度下实时解码气味混合物的成分。考虑到嗅觉反馈/生成，该研究仍处于起步阶段。目前的嗅觉生成技术主要与在封闭区域/房间内生成气味的大型仪器或内置的笨重的VR设备有关，其中的有线连接，大的裂缝，沉闷的气味生成功能和低响应时间使这些嗅觉反馈方法远远落后于基于视觉/听觉的VR 设备的发展，从而大大限制了他们的应用领域。与这些气味生成/释放系统不同的是，可穿戴格式的气味生成器(OGS)能够创造一个个性化和本地化的气味环境，避免气味干扰和气味切换的长响应时间。到目前为止，有一些关于可穿戴式气味发生器的报道，其工作原理主要是基于商业液体雾化器，将香水雾化成小水滴，然后再吹出。而笨重的工作机械，完全刚性的包装与笨重的液体香水瓶，以及特殊的维护要求，都表明了这些可穿戴式OG 在实现高通道气味发生器的小型化、轻量化和灵活化方面的固有缺陷。此外，一个配对的智能电子控制板也是必不可少的，可以根据用户的要求远程操作具有众多选择性气味类型的OGS。因此，为了在靠近用户鼻子的小范围内提供个性化的气味，新的可穿戴式嗅觉接口技术应该表现出以下的进步：(a) 整个系统应该建立在一个可穿戴的甚至与皮肤结合的软性基底上，具有微型化的尺寸和轻量级的格式，(b) 尽可能多的气味，浓度可调，操作时间长，以支持长期使用，无需频繁更换/维护，(c) 嗅觉接口应该支持无线和可编程操作，能够与用户进行各种应用互动。(d) 气味源应易于获取，并具有生物相容性。(e)在VR/AR 应用中的嗅觉系统需要在突发或抑制气味方面的快速反应时间和准确的气味浓度控制。

研究成果

虚拟现实(VR)技术的最新进展加速了无缺陷的三维虚拟世界的创造，为人类提供了前沿的社会平台。与传统的视觉、听觉和触觉同样重要的是，嗅觉对人类产生了生理和心理上的影响。在此，香港城市大学于欣格教授团队报告了一个具有无线可编程功能的皮肤界面嗅觉反馈系统的概念，该系统基于灵活和小型化的气味发生器(OG)阵列，用于觉VR 应用。通过优化材料选择、设计布局和电源管理，气味发生器在各方面都表现出卓越的设备性能，从响应速度、气味浓度控制、长期连续运行、高机械/电气稳定性和低功耗。在 4D 电影观看、气味信息传递、医疗、人类情感控制和基于 VR/AR 的在线教学等方面的代表性演示证明了软嗅觉界面在各种实际应用中的巨大潜力，包括娱乐、教育、人机界面等。相关研究以“Soft， miniaturized， wireless olfactory interface for virtual reality”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Architectures of the two olfaction interfaces.

Fig. 2 | Optimized operation of the OG.

Fig. 3 | Stability testing of OGs.

Fig. 4 | Demonstrations of the olfaction interfaces.

Fig. 5 | Application the face mask-based olfaction interface in virtual online teaching.

总结与展望

总之，这项工作中报告的软性嗅觉接口系统利用了两种可穿戴的形式，其中一个设备可以通过直接安装在人的上唇上实现 OG 和用户鼻子之间的极短距离，以实现快速的嗅觉显示，另一个建立在一个灵活的面罩平台上，提供一个具有数百种气味选择的本地化环境。基于灵活的、小型化的 OG，这两个嗅觉接口能够与三维虚拟世界建立无线连接，并实时控制可编程的气味浓度。工作原理、操作逻辑和可穿戴形式在很大程度上将这项技术与之前的一些尝试区分开来。大量的电气性能实验、理论研究和软体OG 的稳定性测试确保了在各种意外情况下稳定和敏感的气味供应。在4D 电影观看、气味信息传递、医疗、人类情绪控制和 VR/AR体验方面的演示进一步展示了嗅觉界面在各个应用领域的巨大潜力，包括娱乐、教育、医疗和人机界面。

在未来可以对系统进行改进，具体说明如下: 当用户需要频繁切换气味类型时，较长的气味剩余时间可能会引起较长的延迟时间。为了解决这个问题将OG 的整体尺寸小型化并加强嗅觉系统的密闭性将是有帮助的。此外，较小尺寸的 OG也可以实现更高的通道 OG 阵列。

文献链接

Soft, miniaturized, wireless olfactory interface for virtual reality

https://doi.org/10.1038/s41467-023-37678-4

转自：“i学术i科研”微信公众号

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