韩国研究员提出电机驱动装置，在XR中提供即时热感觉

提供即时热感觉

（映维网Nweon 2024年11月08日）在一项研究中，韩国光州科学技术院的研究人员提出了一种电机驱动的Peltier装置，目标是在XR环境中提供即时热感觉。

系统包含八个电机驱动的Peltier元件，通过将预热或冷却的元件旋转到相反的两侧，系统可以促进冷热感觉之间的快速转换。另外，包括铝和硅胶层的多层结构可以确保用户的舒适性和安全性，同时保持最佳温度的热刺激。

时间-温度特性分析表明，系统能够有效地提供冷热感觉，在2V输入下长达206秒。系统设计可以适应身体的各个部位，并可以与相应的视觉刺激同步，从而增强虚拟对象交互和信息传递的沉浸感。

交互式技术通过融合多模态感觉来增强XR体验。其中，触觉反馈最受关注。由于触觉来自体感整合，包括温度和压力，所以应该重视热反馈的设计，以获得更身临其境和更逼真的XR体验。特别是，在与虚拟对象的动态交互过程中所经历的冷暖波动可以增强沉浸感和临场感。

Peltier元件是XR热反馈的首选，因为它们具有电调制温度的能力。传统的Peltier系统由电流控制，可以有效地传递整体温度，但由于其热响应速率较慢，对于快速的温度转变效果较差。

为了解决这个问题，韩国光州科学技术院的研究人员引入了电机驱动的，预热的Peltier元件，目标是使用元素的两侧提供温暖和凉爽感觉之间的快速变化。

在这项研究中，团队展示了可以结合Peltier元件两侧，并在XR中提供温暖和凉爽感觉的多层结构，以及它们的时间-温度特性和在XR场景中的潜在应用。

研究人员集成了8个电机驱动的Peltier元件，每个元件都能够通过翻转元件的预热或冷却侧来交替冷热感觉（图1）。

Peltier安装在一个能够270度旋转的伺服电机之上，它能够快速提供所需的温度，并与电机的反应时间同步。

研究人员同时增加了弹性带和旋转轴，以确保在Peltier和电机旋转期间皮肤接触一致。每个Peltier -马达对都由一个马达驱动器独立控制，并由Arduino Nano 33物联网管理。

铝层位于暖面，最大限度地减少了过多的热量传递，而硅树脂则起到热障的作用，保护皮肤免受直接接触。这种配置可以保持设备的温度，确保热刺激的安全传递，防止皮肤接触时温度突然下降。另外，每组包括一个两侧附有NTC薄膜热敏电阻（MF5B 10K）的Peltier元件，并用于温度控制，特别专注于保持温暖。

研究人员对TES1-4902 Peltier元件（20mm * 20mm，多层）进行了一系列测试，研究了其温度随时间的变化，电压范围为1V至5V，增量为0.5V。

目标是在一个保持在25°C的房间里实现40°C的暖侧温度。每个电压水平进行三次测试，以评估关键的时间-电压动态（结果见图3）。

最初，热的一面升温，冷的一面冷却。然而，热量从热到冷的传递最终导致冷侧回到室温。当电压为1.5V时，热侧在元件时间（M = 259.2 s, SD = 2.27 s）内未达到40°C，而从2.0V开始，在元件时间结束前（M = 206.3 s, SD = 3.21 s）达到了目标温度，而更高电压(2.5V时，M = 163.4 s, SD = 1.25 s；3.0V: M = 120.1 s, SD = 3.30 s)则会降低时间。

所以，研究人员将2.0V设置为最佳输入电压，以实现具有温暖感觉的目标温度，并维持最长的降温时间。

团队指出，所提出的系统能够在暖，中性和冷感觉之间快速转换，允许视觉上一致的热反应。与采用管内流体和腔室的技术相比，这一方法设计紧凑，可以实现矩阵信息显示的可扩展性。由于每个电机都可以独立控制和寻址，所以它们可以使用静态和动态模式来呈现信息。甚至在编码为特定数据之前，热信息本身就能传达大气或环境的感觉，所以有可能作为传递警告信息的渠道。

总的来说，团队提出了电机驱动的Peltier元件，以在XR中提供即时的温暖和凉爽的感觉，并克服Peltier元件固有的慢响应速度。对时间-温度特性的分析证明了多层方法的可行性，可利用Peltier元件的两侧有效地产生冷热感觉。

系统支持的即时热转换可以令VR游戏受益，并支持远程呈现系统与远程用户进行自然和情感上的交流。另外，系统适用于身体的其他部位，如脚和手掌。

未来的研究将探索系统的放大版本，以及利用SMA弹簧或电活性聚合物等软致动器来实现更轻、可穿戴的形式。