當2021年社交媒體巨頭Facebook改名為Meta時，很多人才真正意識到，元宇宙（即“metaverse”）將改變這個世界。盡管當下人們對其最直觀的感知，還是一個只能在視覺上模擬真實世界的VR眼鏡。

但誰也沒想到，古老的東方手工技藝“折紙”，率先實現了從虛擬到真實的關鍵突破。

近期，Nature Machine Intelligence（《自然-機器智能》）在線發表了西湖大學姜漢卿團隊的最新研究成果“Active Mechanical Haptics with High-Fidelity Perceptions for Immersive Virtual Reality”，在國際上首次提出并開發了“高保真主動機械觸感交互系統”，為元宇宙帶來了全新的觸覺感知維度。

這意味著他們借鑒折紙藝術，讓VR眼鏡里的虛擬世界不僅可見、可聽，還可“觸摸”！

聽起來不可思議。這一切是怎么發生的？

鏡花水月：“觸”不可及的失真“宇宙”

讓我們從metaverse（元宇宙）的起源講起。

這是美國科幻作家尼爾·斯蒂芬森創造的一個新名詞，出現在一個以披薩速遞員為主角的、關于未來世界的故事中。它指的是現實世界與通過增強現實技術和虛擬現實技術創造出的現實世界與虛擬世界相互混合的狀態。

1992年，這部名為《雪崩》的科幻小說面世，斯蒂芬森因“塑造和影響了整整一批IT人”，位列《時代》周刊評選的“50位數字英雄”榜單。

二十年后，當年斯蒂芬森在書中所暢想的世界，已經近乎站立在你我的“家門口”了。無論充滿爭議與否，元宇宙都為人類社交生活提供了新的橋梁與無限可能。如Meta Reality Labs首席科學家Michael Abrash所說：“VR/AR正掀起個人計算機歷史上的第二次變革大浪潮，其影響可能超過過去三十年個人計算機的發展，將是繼個人電腦和智能手機之后下一代消費級計算機科技產品。”

但當前的VR交互，僅可提供視覺與聽覺體驗，呈現的是一個僅可遠觀、卻無法觸碰的虛擬空間，而觸覺恰恰是人類獲得主體感的關鍵——在人類的五感（視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺）中，視、聽覺在信息接收方面居于主導地位，味、嗅覺處于輔助地位，觸覺則居于根本地位（我們據此獲得物主感，這是區分主體和客體的關鍵）。

研究者們曾經嘗試過很多種“解決”方案，大多是通過震動或壓力代償創造“被動觸感”：例如具有振動功能的手柄；柔性電子科學家、西北大學John Rogers院士發明的可以貼在皮膚上的振動馬達；以及Meta在2021年發布的觸覺感知手套，通過氣囊壓迫給予用戶抓取物體時的觸感……

然而，這些“觸感”就如同你的手機忽然振動了一下，或者是坐在4D電影院里突然感受到座椅的晃動，你的體感都是由設備出發、給予你一種被動的交互體驗，距離日常生活中真實的、由人類主動觸發的“觸覺”還差距甚遠。

這似乎也呼應了人類在觸覺理解上的艱難進度條——2021年，美國生理學家David Julies與亞美尼亞裔美國神經科學家Ardem Patapoutian因揭開了觸覺（與溫度覺）的神秘面紗，獲得了諾貝爾生理學或醫學獎——而聽覺與視覺，早在上世紀60年代就已揭秘，完成了對諾獎的問鼎。

折紙繆斯：撬動VR世界的星辰大海

那么，最前沿的VR和元宇宙，怎么會因為傳統的折紙藝術而破局？

讓我們把視線轉回西湖。

2021年6月18日，姜漢卿結束了在美國亞利桑那州立大學十五年的任教生涯，正式加盟西湖大學。在這里，他最早啟動的課題之一就是柔性電子與軟/硬異質性材料研究，這也是我們第一次從他那里聽到“折紙機械超材料”這個概念——所謂“機械超材料”，指的是并非自然形成，而是人為構造的材料結構，材料的性能不依賴于材料的分子結構或者晶體結構本身，主要依賴于其精巧的構型里面的結構細節。

從事“折紙研究”十年之久，又感知到了元宇宙的欣欣向榮，姜漢卿萌生了把兩者結合起來的念頭。“折紙材料可能很軟，但是依賴于不同的折疊方式，折紙結構又會變得很硬，基于折紙結構的機器人，就可以隨時調節軟硬程度。”

擺脫當前虛擬現實交互的固有思維定式，姜漢卿創造了“主動觸覺”這個新概念——不同于肩、胸、腰、背等人類身體通常接收“被動觸覺”的部位，人的手和腳通常是主動出擊，通過主動觸摸去感知物理世界。研究團隊選擇從“機械觸感”（即剛度，物品的軟硬觸感）入手，模擬手和腳主動觸摸物體時的感覺。

他們研發了一套“高保真主動機械觸感交互系統”，利用不同材質、不同尺寸的折紙模塊搭建了兩種不同維度的交互裝置：一種可引發局部觸感的手持式裝置,與一種可以產生全身體感的腳踏式裝置。在使用手持式交互裝置時，用戶可通過主動抓握，體驗其所交互的不同物品的軟硬程度；在使用腳踏式裝置時，用戶則可通過主動踩踏，以全身運動的形式體驗其所處的環境地面特性。?

這種主動機械觸感的實現，正是源于硬件設備內部曲面折紙結構在交互過程中、由用戶主動觸發的被動變形——在電機的配合作用下，曲面折紙能彎曲成不同的角度，也會產生不同大小的反力，從而給予用戶手足不同的“彈性”反饋。

觀看下圖可以獲得更直觀的感受：將兩張薄薄的塑料片對折，呈“X”狀穿插在一起，想象一下，當你縱向“上下”按壓塑料片，力量、角度不一樣時，手收到的“回彈”反饋的感知也會不一樣。這種觸覺的變化傳遞給大腦，大腦就會根據“軟硬”做出判斷：抓到的是棉花，是木板，還是鋼球……如果把手換成腳，大腦同樣會根據腳所傳遞的剛度反饋，來判定人是走在馬路上、草地上，還是踩在冰上……

高保真主動機械觸感交互系統的局部結構

由此，我們在元宇宙的虛擬世界中，就可以完美實現“所見即所觸，所處即所踏”了。

力學之美：向虛擬世界伸出精妙之“手”

姜漢卿的實驗室名為“跨力學實驗室”，這是一個名副其實深耕交叉學科的實驗室，參與該項研究的幾名主要成員，有畢業于上海交通大學機械工程系的博士后張壯，來自浙江大學力學系的訪問學生徐正昊，清華大學工程力學本科背景的博士生陳森濤，畢業于武漢大學化工系的博士后衛平東，以及動手能力超強、曾獲國家級機器人競賽一等獎的科研助理俄木羅前……

如果說，這項研究中最大的創意來自“折紙”，那么，實現創意的最大挑戰就來自“怎么折”——既能完美實現主動觸感，又能集成在有限的空間里。就像現實世界的折紙一樣，人人都會，但只有那心靈手巧的藝人，才能展現其精妙之處。

在姜漢卿實驗室，我們現場體驗了這個“手持式裝置”——形狀像一個球，5個位點對應人的5個手指，每一個位點下面就是呈現“X”形狀交叉的兩片成組的曲線折紙塑料片；10個塑料片，全靠一個電機帶動，以扭轉成各種不同角度，形成不同的“軟硬度”。與之配套的腳踏式裝置，原理一樣，差別在于踏板下是鋼片，數量更多、矩陣排布，通過拉繩的方式改變曲線折紙的角度來改變剛度。

“手球”實物

令人驚訝的是，這些設備里沒有任何昂貴或罕見的器件。無論是“手球”里的塑料片，還是“踏板”中的鋼片，都是網購取得的，可以被替換為任何有彈性的材料。核心器件就是可以根據虛擬場景而相應變化的曲線折紙。如果核心結構一致，交互的硬件設備也可以放大或縮小。這意味著一旦找到合適的應用場景，它將有希望快速進入生產市場。

研究的最后一步，秉持科學的嚴謹和理性，研究團隊進行了人體感受表征的驗證，包括“主觀”的用戶調查和“客觀”的肌電圖、心率測量。圖中曲線的最高點，記錄了體驗者踩在虛擬的冰面上、冰面破裂時，心跳急速變快的真實生理反應。因為那一刻踏板突然塌陷，讓人瞬間產生踏空墜落的恐懼感。虛擬世界，就這樣創造出了真實世界的完美觸感。

心率與肌電信號測量

“科研需要創新，要有societal impact，要對這個社會真正有貢獻。”這是姜漢卿對科學工作的定義。他們這項研究，為虛擬現實交互提供了全新的模式與體驗，為超材料在元宇宙中的進一步集成提供了指導方案，也有望拓展虛擬現實技術在娛樂、遙操作、醫療診治與康復等領域的廣泛應用。

接下來，研究團隊將繼續找到多模式的感知，還原更完整的觸覺，在形態上，他們正在嘗試和柔性電子整合，實現主動觸覺與被動觸覺的結合，以及努力用折紙實現更大尺度的體驗，在更大的場景中實現交互。

“比如在游戲中要騎摩托車，能不能直接從地面‘長出’可以觸摸到的摩托車來？不僅是摩托車，還能長出能坐的椅子，能開的小船……”姜漢卿放飛自己的想象。

雖然只是“想象”，但歷史已無數次證實，科學家的天馬行空，也許就是未來世界的真實圖景。

西湖大學工學院博士后張壯為本文第一作者，西湖大學工學院講席教授姜漢卿為本文通訊作者，第一單位為西湖大學。其他主要研究人員包括浙江大學的研究生徐正昊和王永副教授。本研究獲得了國家自然科學基金、西湖教育基金會、以及西湖大學未來產業研究中心相關經費支持。