面向虚拟现实应用的软性、无线可穿戴嗅觉交互技术

近些年，人机交互应用凸显了人类感觉反馈的重要性，例如，在娱乐、医疗和虚拟现实/增强现实（VR/AR）等领域已经广泛嵌入视觉、听觉和触觉等应用。嗅觉在人类感知体验中发挥着与视觉和听觉反馈相当的重要作用。

作为典型的五种感官之一，嗅觉对于人类生活发挥着至关重要的作用，人造材料、工业、交通、家用产品等人们日常生活的方方面面都与嗅觉相关。例如，嗅觉可以帮助我们建立母亲和孩子之间的关系，挑选喜欢的食物，提前感知危险的信号等。

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）的研究已经发展到通过传统刚性电子器件和新型柔性传感电子器件整合，实时解码极低浓度气味混合物的成分。鉴于嗅觉反馈和产生机制，这些研究仍处于初级阶段。

目前的嗅觉产生技术主要通过大尺寸设备在封闭区域/房间或内嵌笨重的VR设备中产生气味，其中，需要有线连接、大体积、气味单调以及低响应时间等劣势，使这些嗅觉反馈方案远远落后于基于视觉/听觉的VR设备，从而极大地限制了它们的应用领域。

与上述气味产生/释放系统不同，可穿戴气味发生器（OG）能够创建个性化的局部气味环境，避免气味干扰和气味切换的长响应时间。迄今为止，已有一些文献报道了可穿戴气味发生器，其工作原理主要基于商用液体雾化器，例如将香水雾化成微小的液滴后喷出。

由于简单粗暴的工作机制、装有液体香水的完全刚性包装以及特定的维护要求，这些可穿戴气味发生器在小型化、轻量化以及以柔性形式实现高通道气味发生方面存在固有缺陷。此外，根据用户要求远程操作多种可选的气味类型，还需要匹配智能电子控制面板。

因此，为了在靠近用户鼻子的局部区域提供个性化的气味，对新型可穿戴嗅觉交互技术提出了以下要求：（a）整个系统应该基于柔性基板，以小尺寸、轻量化的可穿戴甚至皮肤贴片的一体化形式实现；（b）尽可能多的气味，浓度可调节，更长的工作时间，以支持长期使用，避免频繁更换/维护；（c）嗅觉交互应支持无线和可编程操作，能够与用户进行各种应用的交互；（d）气味来源应易于获取且具有生物相容性；（e）在VR/AR应用中，嗅觉系统需要具有快速响应能力以释放或控制气味，并准确控制气味浓度。

据麦姆斯咨询介绍，香港城市大学和北京航空航天大学的一支联合研究团队近期报道了用于无线控制嗅觉交互的一系列材料选择、器件设计、集成方案以及系统布局，将毫米级气味发生器阵列集成在超薄的柔性电子薄片中，设计了两种可穿戴嗅觉交互器件，包括直接贴附在嘴唇上方皮肤表面的电子贴片，以及一种基于软性面罩的电子设备，由此在电子设备和用户之间建立了嗅觉交互桥梁，适用于从沉浸式VR/AR到向残疾用户传递信息，再到情绪控制和医疗等广泛的应用领域。

可穿戴嗅觉交互器件直接贴附在嘴唇上方

与传统基于视觉/听觉的VR/AR技术一样，这种完全可编程的嗅觉交互接口通过嗅觉刺激为用户提供与虚拟世界之间的互动，将VR/AR扩展到了新的维度。其中，作为嗅觉交互关键元件的气味发生器基于多层堆叠，包括（1）一层与各种安全液体香料混合的食品级石蜡，作为气味产生源；（2）热执行器（基于聚酰亚胺支撑的金迹线），包含热敏电阻作为温度可控的热源，用于熔化/固化气味石蜡；以及（3）悬臂结构机械执行器，基于铜线圈和永磁体之间的电磁感应，用于热管理/散热以快速响应开启/关闭气味发生器，例如提升或向下推动悬臂可以加热或冷却由嵌入式热敏电阻监测的热执行器的温度。

然后，用一种柔性硅基方形框架作为气味产生单元的外壳，不仅为机械执行器提供了足够的空间与热执行器一起上下运动，还可以使整个气味发生器具有足够的柔性，以贴合起伏的人体皮肤（上唇）。

气味发生器的微型化使其能够形成具有不同气味的大型阵列，其中气味发生器的气味可以通过框架颜色来区分。例如，深色气味发生器可以象征更刺鼻的气味，例如薄荷味、柠檬味等。

可穿戴嗅觉交互系统演示

总结来说，这项研究报道的软性嗅觉交互系统提供了两种可穿戴形式，其中一种可以直接贴附在人体上唇，使气味发生器和用户鼻子之间距离极短，以进行快速嗅觉交互；另一种构建了软性面罩平台，能够提供具有数百种气味选择的局部环境。基于软性微型化的气味发生器，这两种嗅觉交互形式能够与3D虚拟世界建立无线连接，并实时提供可编程的气味浓度控制。

两种可穿戴嗅觉交互系统架构

研究人员对这种软性气味发生器进行了大量的电性能实验、理论研究和稳定性测试，确保了在各种突发情况下稳定、灵敏地产生气味。在4D观影、气味信息传递、医疗、人类情绪控制、VR/AR体验等应用中的演示，进一步展示了这种嗅觉交互接口在娱乐、教育、医疗、人机交互等广泛应用领域的巨大潜力。

审核编辑：刘清