面向虛擬現(xiàn)實應用的軟性、無線可穿戴嗅覺交互技術

近些年，人機交互應用凸顯了人類感覺反饋的重要性，例如，在娛樂、醫(yī)療和虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR/AR）等領域已經(jīng)廣泛嵌入視覺、聽覺和觸覺等應用。嗅覺在人類感知體驗中發(fā)揮著與視覺和聽覺反饋相當?shù)闹匾饔谩?/p>

作為典型的五種感官之一，嗅覺對于人類生活發(fā)揮著至關重要的作用，人造材料、工業(yè)、交通、家用產(chǎn)品等人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷娑寂c嗅覺相關。例如，嗅覺可以幫助我們建立母親和孩子之間的關系，挑選喜歡的食物，提前感知危險的信號等。

隨著化學、生物學和神經(jīng)科學的巨大進步，氣味檢測（氣體傳感器）的研究已經(jīng)發(fā)展到通過傳統(tǒng)剛性電子器件和新型柔性傳感電子器件整合，實時解碼極低濃度氣味混合物的成分。鑒于嗅覺反饋和產(chǎn)生機制，這些研究仍處于初級階段。

目前的嗅覺產(chǎn)生技術主要通過大尺寸設備在封閉區(qū)域/房間或內(nèi)嵌笨重的VR設備中產(chǎn)生氣味，其中，需要有線連接、大體積、氣味單調(diào)以及低響應時間等劣勢，使這些嗅覺反饋方案遠遠落后于基于視覺/聽覺的VR設備，從而極大地限制了它們的應用領域。

與上述氣味產(chǎn)生/釋放系統(tǒng)不同，可穿戴氣味發(fā)生器（OG）能夠創(chuàng)建個性化的局部氣味環(huán)境，避免氣味干擾和氣味切換的長響應時間。迄今為止，已有一些文獻報道了可穿戴氣味發(fā)生器，其工作原理主要基于商用液體霧化器，例如將香水霧化成微小的液滴后噴出。

由于簡單粗暴的工作機制、裝有液體香水的完全剛性包裝以及特定的維護要求，這些可穿戴氣味發(fā)生器在小型化、輕量化以及以柔性形式實現(xiàn)高通道氣味發(fā)生方面存在固有缺陷。此外，根據(jù)用戶要求遠程操作多種可選的氣味類型，還需要匹配智能電子控制面板。

因此，為了在靠近用戶鼻子的局部區(qū)域提供個性化的氣味，對新型可穿戴嗅覺交互技術提出了以下要求：（a）整個系統(tǒng)應該基于柔性基板，以小尺寸、輕量化的可穿戴甚至皮膚貼片的一體化形式實現(xiàn)；（b）盡可能多的氣味，濃度可調(diào)節(jié)，更長的工作時間，以支持長期使用，避免頻繁更換/維護；（c）嗅覺交互應支持無線和可編程操作，能夠與用戶進行各種應用的交互；（d）氣味來源應易于獲取且具有生物相容性；（e）在VR/AR應用中，嗅覺系統(tǒng)需要具有快速響應能力以釋放或控制氣味，并準確控制氣味濃度。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，香港城市大學和北京航空航天大學的一支聯(lián)合研究團隊近期報道了用于無線控制嗅覺交互的一系列材料選擇、器件設計、集成方案以及系統(tǒng)布局，將毫米級氣味發(fā)生器陣列集成在超薄的柔性電子薄片中，設計了兩種可穿戴嗅覺交互器件，包括直接貼附在嘴唇上方皮膚表面的電子貼片，以及一種基于軟性面罩的電子設備，由此在電子設備和用戶之間建立了嗅覺交互橋梁，適用于從沉浸式VR/AR到向殘疾用戶傳遞信息，再到情緒控制和醫(yī)療等廣泛的應用領域。

可穿戴嗅覺交互器件直接貼附在嘴唇上方

與傳統(tǒng)基于視覺/聽覺的VR/AR技術一樣，這種完全可編程的嗅覺交互接口通過嗅覺刺激為用戶提供與虛擬世界之間的互動，將VR/AR擴展到了新的維度。其中，作為嗅覺交互關鍵元件的氣味發(fā)生器基于多層堆疊，包括（1）一層與各種安全液體香料混合的食品級石蠟，作為氣味產(chǎn)生源；（2）熱執(zhí)行器（基于聚酰亞胺支撐的金跡線），包含熱敏電阻作為溫度可控的熱源，用于熔化/固化氣味石蠟；以及（3）懸臂結構機械執(zhí)行器，基于銅線圈和永磁體之間的電磁感應，用于熱管理/散熱以快速響應開啟/關閉氣味發(fā)生器，例如提升或向下推動懸臂可以加熱或冷卻由嵌入式熱敏電阻監(jiān)測的熱執(zhí)行器的溫度。

然后，用一種柔性硅基方形框架作為氣味產(chǎn)生單元的外殼，不僅為機械執(zhí)行器提供了足夠的空間與熱執(zhí)行器一起上下運動，還可以使整個氣味發(fā)生器具有足夠的柔性，以貼合起伏的人體皮膚（上唇）。

氣味發(fā)生器的微型化使其能夠形成具有不同氣味的大型陣列，其中氣味發(fā)生器的氣味可以通過框架顏色來區(qū)分。例如，深色氣味發(fā)生器可以象征更刺鼻的氣味，例如薄荷味、檸檬味等。

可穿戴嗅覺交互系統(tǒng)演示

總結來說，這項研究報道的軟性嗅覺交互系統(tǒng)提供了兩種可穿戴形式，其中一種可以直接貼附在人體上唇，使氣味發(fā)生器和用戶鼻子之間距離極短，以進行快速嗅覺交互；另一種構建了軟性面罩平臺，能夠提供具有數(shù)百種氣味選擇的局部環(huán)境?；谲浶晕⑿突臍馕栋l(fā)生器，這兩種嗅覺交互形式能夠與3D虛擬世界建立無線連接，并實時提供可編程的氣味濃度控制。

兩種可穿戴嗅覺交互系統(tǒng)架構

研究人員對這種軟性氣味發(fā)生器進行了大量的電性能實驗、理論研究和穩(wěn)定性測試，確保了在各種突發(fā)情況下穩(wěn)定、靈敏地產(chǎn)生氣味。在4D觀影、氣味信息傳遞、醫(yī)療、人類情緒控制、VR/AR體驗等應用中的演示，進一步展示了這種嗅覺交互接口在娛樂、教育、醫(yī)療、人機交互等廣泛應用領域的巨大潛力。

審核編輯：劉清