DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhcs.2026.103814
تاريخ النشر: 2026-04-11
المؤلف: Ana Sanz Cozcolluela وآخرون
الموضوع الرئيسي: التفاعلات اللمسية والحسية
نظرة عامة
تقدم البحث حلقة لمسية ناعمة جديدة مصممة لتعزيز تفاعل المستخدم في بيئات الواقع الممتد (XR) من خلال توفير مجموعة من الأحاسيس اللمسية عبر تقنية قابلة للارتداء. يستخدم هذا الجهاز مزيجًا من التشغيل الهوائي والهيدروليكي لمحاكاة أوضاع لمسية مختلفة، بما في ذلك الخشونة، والأحاسيس الحرارية، والنعومة، مستهدفًا بشكل خاص الفالانج القريب. وهو قادر على توليد قوى تصل إلى 1.75 نيوتن، وإزاحات تصل إلى 0.27 مم، وتعديل درجة الحرارة حتى 25 درجة مئوية خلال 65 ثانية، كل ذلك أثناء العمل ضمن نطاق تردد من 30-300 هرتز.
تستخدم منهجية عرض قائمة على البيانات لتكييف هذه الإشارات اللمسية بناءً على تفاعلات المستخدم. على سبيل المثال، ينقل المشغل الهيدروليكي درجة الحرارة أثناء الاتصال الثابت، بينما يوفر المشغل الهوائي ردود فعل الضغط والاهتزاز أثناء الإيماءات المختلفة، مثل الضغط والانزلاق. أظهرت دراسة مستخدم شملت 15 مشاركًا دقة مطابقة نسيج متوسطة تبلغ 68% ودرجة F1 تبلغ 0.68 عند مطابقة القوام الافتراضية مع القوام الحقيقية. كما أبلغ المشاركون عن تجارب حسية مميزة وغنية عبر الأوضاع المختلفة التي قدمتها الحلقة. تؤكد هذه النتائج على إمكانات الحلقة اللمسية ومنهجيتها في العرض لتسهيل ردود الفعل اللمسية الغامرة في تطبيقات XR، مما يعزز التفاعلات الفيزيائية الطبيعية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للتجارب اللمسية في تشكيل فهمنا للعالم الفيزيائي، مشيرة إلى غياب التفاعلات اللمسية الغنية في البيئات الرقمية. لمعالجة هذه الفجوة، ظهرت الأجهزة اللمسية القابلة للارتداء، وخاصة تلك المصممة لمحاكاة ردود الفعل اللمسية من خلال مكونات ميكاترونيكية. ومع ذلك، غالبًا ما تعيق التصاميم الشبيهة بالقفازات الحركات الطبيعية لليد وتعقد تتبع الأصابع، خاصة في تطبيقات الواقع المختلط والمعزز. يقترح المؤلفون أن نقل ردود الفعل اللمسية من أطراف الأصابع إلى مناطق أخرى من اليد يمكن أن يعزز التفاعل من خلال التغلب على القيود المرتبطة بالأجهزة المعتمدة على أطراف الأصابع.
تقدم الورقة حلقة لمسية ناعمة جديدة قادرة على تقديم أحاسيس لمسية متعددة الأوضاع—الضغط، الاهتزاز، والإشارات الحرارية—بينما تسمح بحركة اليد الطبيعية. يستخدم هذا الجهاز مزيجًا من آليات التشغيل الهوائي والهيدروليكي لتوفير تجربة لمسية أكثر غمرًا. يؤكد المؤلفون على أهمية نقل مجموعة أوسع من الخصائص اللمسية، مثل النعومة ودرجة الحرارة، لتحقيق تفاعلات واقعية في البيئات الرقمية. يقدمون منهجية عرض قائمة على البيانات تتكيف مع ردود الفعل اللمسية بناءً على تفاعلات المستخدم والمواد التي يتم محاكاتها. تم إجراء دراسة مستخدم للتحقق من الجهاز ومنهجية العرض، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا اللمس القابلة للارتداء من خلال دمج آليات تشغيل متعددة ضمن واجهة واحدة.
طرق
تضمنت الإعدادات التجريبية تفاعل المشاركين مع ستة قوام، تم إخفاؤها في حالات مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد مخصصة للسماح بالاستكشاف اللمسي دون إشارات بصرية. استخدم المشاركون واجهة مستخدم رسومية (GUI) على شاشة لتقديم ملاحظاتهم حول تجاربهم الحسية أثناء ارتداء حلقة متعددة الأوضاع على إصبع اليد السائدة. تم استخدام سماعات رأس مانعة للضوضاء لتقليل الانحرافات السمعية. تضمنت الدراسة مهمتين رئيسيتين: مهمة تقييم، حيث قام المشاركون بتقييم القوام بناءً على أزواج الصفات (مسطح-وعر، بارد-ساخن، ناعم-صلب)، ومهمة مطابقة، حيث قاموا بمطابقة القوام الافتراضية التي تم تجربتها من خلال الحلقة مع القوام الحقيقية.
في مهمة التقييم، قام المشاركون بتقييم كل قوام باستخدام منزلقات على واجهة المستخدم الرسومية، مما سمح بـ 100 زيادة لكل زوج صفة. بعد ذلك، شارك المشاركون في مهمة المطابقة، حيث قاموا بتقليد إجراءات استكشافية محددة (اضغط-انتظر-ارفع وانزلق) موجهة بواسطة كرة افتراضية على واجهة المستخدم الرسومية. كانت حركة الضغط-الانتظار-الرفع تحاكي الاتصال الثابت لمدة 30 ثانية، بينما تضمنت حركة الانزلاق استكشافًا جانبيًا بسرعة 50 مم/ثانية لمدة 10 ثوانٍ. بعد إكمال كلا الحركتين، اختار المشاركون القوام الحقيقي الذي يتطابق بشكل أفضل مع الافتراضي وقاموا بتقييم المحفزات الافتراضية المدركة باستخدام نفس أزواج الصفات. تضمنت التجربة أربع جولات، مع إجمالي أربعة وعشرين تجربة لكل مشارك، وتم عشوائية ترتيب القوام. تم استبعاد ردود الفعل من مرحلة التدريب الأولية من التحليل، ولم يتم إبلاغ المشاركين بدقة مطابقتهم.
نتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا مقارنًا لمتوسط تقييمات الصفات للقوام الافتراضية مقابل نظيراتها الحقيقية، مع التركيز على الخشونة المدركة، ودرجة الحرارة، والنعومة. تم الحصول على التقييمات من تجارب منفصلة، مما يسمح بتقييم أداء العرض للجهاز عبر قوام مختلفة بدلاً من مقارنة مباشرة. تذكر الدراسة معامل ارتباط بيرسون (r) لتقييم الحفاظ على الترتيبات النسبية وخطأ المتوسط المطلق (MAE) لقياس الدقة المطلقة. يتم توضيح المقارنات التفصيلية في الشكل E.18، بينما يظهر الشكل 12 نتائج اختبار كروسكال-واليس، الذي حدد اختلافات كبيرة في تقييمات الصفات عبر القوام والأوضاع بعد تأكيد عدم الطبيعية باستخدام اختبار كولموغوروف-سميرنوف (p < 0.05). بالإضافة إلى ذلك، استخدم تحليل النسب المئوية للمطابقة بين القوام الافتراضية والأسطح الحقيقية، كما هو موضح في الشكل 13، اختبار كاي-تربيع بيرسون لعينة ثنائية، مما يكشف عن انحراف كبير عن مستويات الفرصة المتوقعة (χ²(25, N = 270) = 756, p < 0.001). تم حساب مقاييس الأداء العامة، بما في ذلك الدقة، والاسترجاع، ودرجة F1، كـ 0.6815، 0.6853، و0.6834، على التوالي، مما يشير إلى مستوى معتدل من الدقة في قدرات عرض القوام للجهاز.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصميم وتصنيع حلقة لمسية متعددة الأوضاع تهدف إلى تعزيز التفاعل اللمسي من خلال توفير آليات ردود فعل مرنة، خفيفة الوزن، وغير مزعجة. تم بناء الجهاز بالكامل من السيليكون لضمان الراحة وحركة الأصابع الطبيعية، مما يسمح للمستخدمين بالتفاعل مع بيئتهم دون عائق. تتضمن الحلقة نظام تشغيل هجين يجمع بين التقنيات الهيدروليكية والهوائية لتقديم محفزات لمسية متعددة الأوضاع—الضغط، والحرارة، والاهتزاز—التي تعتبر حاسمة لإدراك القوام. تم إبلاغ خيارات التصميم، بما في ذلك موضع غرفة الهواء واستخدام أنبوب سيليكون للمحفزات الحرارية، من خلال الأبحاث السابقة حول حساسية الجلد واستراتيجيات التفاعل اللمسي.
يتم تفصيل نظام التحكم في الحلقة، مع تسليط الضوء على استخدام الدوائر الهوائية لتوليد إشارات الضغط والاهتزاز، بالإضافة إلى دائرة هيدروليكية لتوفير ردود الفعل الحرارية. يصف المؤلفون أداء الحلقة عبر هذه الأوضاع، موضحين قدرتها على إنتاج ضغط كبير (حتى 1.75 نيوتن)، وتغيرات حرارية (حتى 25 درجة مئوية خلال 65 ثانية)، واستجابات اهتزازية عبر نطاق تردد من 30-300 هرتز. تم تصميم منهجية العرض التي تم تطويرها للجهاز لتفعيل الأوضاع اللمسية بناءً على إجراءات الاستكشاف الخاصة بالمستخدمين، مستفيدة من البيانات من قاعدة بيانات SENS3 لتوليد أحاسيس لمسية واقعية. تهدف هذه الطريقة إلى تكرار تجربة استكشاف الأسطح بأصابع عارية، على الرغم من أنها لا تأخذ في الاعتبار التفاعلات في الوقت الحقيقي مع المواد الفيزيائية، والتي ستكون ضرورية لتطبيقات الواقع المختلط.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhcs.2026.103814
Publication Date: 2026-04-11
Author(s): Ana Sanz Cozcolluela et al.
Primary Topic: Tactile and Sensory Interactions
Overview
The research presents a novel soft haptic ring designed to enhance user interaction in extended reality (XR) environments by providing a range of tactile sensations through wearable technology. This device employs a combination of pneumatic and hydraulic actuation to simulate various tactile modalities, including roughness, thermal sensations, and softness, specifically targeting the proximal phalanx. It is capable of generating forces up to 1.75 N, displacements of 0.27 mm, and modulating temperature by up to 25°C within 65 seconds, all while operating within a frequency range of 30-300 Hz.
A data-driven rendering methodology is employed to adapt these tactile cues based on user interactions. For instance, the hydraulic actuator conveys temperature during static contact, while the pneumatic actuator provides pressure and vibration feedback during different gestures, such as pressing and sliding. A user study involving 15 participants demonstrated an average texture-matching precision of 68% and an F1 score of 0.68 when matching virtual textures to real ones. Participants also reported distinct and rich sensory experiences across the various modalities rendered by the ring. These results underscore the potential of the haptic ring and its rendering approach to facilitate immersive tactile feedback in XR applications, thereby enhancing natural physical interactions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of tactile experiences in shaping our understanding of the physical world, noting the absence of rich tactile interactions in digital environments. To address this gap, wearable haptic devices have emerged, particularly those designed to simulate tactile feedback through mechatronic components. However, existing glove-like designs often hinder natural hand movements and complicate finger tracking, especially in mixed and augmented reality applications. The authors propose that relocating tactile feedback from the fingertips to other areas of the hand could enhance interaction by overcoming the limitations associated with fingertip-based devices.
The paper introduces a novel soft haptic ring capable of delivering multimodal tactile sensations—pressure, vibration, and thermal cues—while allowing for natural hand movement. This device utilizes a combination of pneumatic and hydraulic actuation mechanisms to provide a more immersive tactile experience. The authors emphasize the importance of conveying a broader range of tactile properties, such as softness and temperature, to achieve realistic interactions in digital environments. They present a data-driven rendering methodology that adapts tactile feedback based on user interactions and the materials being simulated. A user study is conducted to validate the device and rendering approach, marking a significant advancement in wearable haptic technology by integrating multiple actuation mechanisms within a single interface.
Methods
The experimental setup involved participants interacting with six textures, which were concealed in custom 3D-printed cases to allow tactile exploration without visual cues. Participants used a graphical user interface (GUI) on a monitor to provide feedback on their sensory experiences while wearing a multimodal ring on their dominant hand’s index finger. Noise-canceling headphones were employed to minimize auditory distractions. The study comprised two primary tasks: a rating task, where participants evaluated the textures based on adjective pairs (flat-bumpy, cold-hot, soft-stiff), and a matching task, where they matched virtual textures experienced through the ring with the real textures.
In the rating task, participants rated each texture using sliders on the GUI, which allowed for 100 increments per adjective pair. Following this, participants engaged in the matching task, where they mimicked specific exploratory actions (press-wait-lift and slide) guided by a virtual ball on the GUI. The press-wait-lift action simulated static contact for 30 seconds, while the slide action involved lateral exploration at a speed of 50 mm/s for 10 seconds. After completing both actions, participants selected the real texture that best matched the virtual one and rated the perceived virtual stimuli using the same adjective pairs. The experiment consisted of four rounds, with a total of twenty-four trials per participant, and the order of textures was randomized. Responses from the initial training phase were excluded from analysis, and participants were not informed of their matching accuracy.
Results
The results section presents a comparative analysis of mean adjective ratings for virtual textures versus their real counterparts, focusing on perceived roughness, temperature, and softness. The ratings were obtained from separate experiments, allowing for an assessment of the rendering performance of the device across various textures rather than a direct comparison. The study reports the Pearson correlation coefficient (r) to evaluate the preservation of relative rankings and the Mean Absolute Error (MAE) to measure absolute accuracy. Detailed comparisons are illustrated in Figure E.18, while Figure 12 shows the results of a Kruskal-Wallis test, which identified significant differences in adjective ratings across textures and modalities after confirming non-normality with a Kolmogorov-Smirnov test (p < 0.05). Additionally, the analysis of matching percentages between virtual textures and real surfaces, as depicted in Figure 13, utilized a two-sample Pearson Chi-Squared test, revealing a significant deviation from expected chance levels (χ²(25, N = 270) = 756, p < 0.001). The overall performance metrics, including precision, recall, and F1-score, were calculated as 0.6815, 0.6853, and 0.6834, respectively, indicating a moderate level of accuracy in the device's texture rendering capabilities.
Discussion
In this section, the authors discuss the design and fabrication of a Soft Multimodal Haptic Ring aimed at enhancing tactile interaction by providing flexible, lightweight, and unobtrusive feedback mechanisms. The device is constructed entirely from silicone to ensure comfort and natural finger movement, allowing users to engage with their environment without obstruction. The ring incorporates a hybrid actuation system that combines hydraulic and pneumatic technologies to deliver multimodal tactile stimuli—pressure, thermal, and vibration—critical for texture perception. The design choices, including the positioning of the pneumatic chamber and the use of a silicone tube for thermal stimuli, are informed by prior research on skin sensitivity and tactile interaction strategies.
The control system for the ring is detailed, highlighting the use of pneumatic circuits to generate pressure and vibration cues, as well as a hydraulic circuit for thermal feedback. The authors characterize the ring’s performance across these modalities, demonstrating its ability to produce significant pressure (up to 1.75 N), thermal changes (up to 25 °C within 65 seconds), and vibration responses across a frequency range of 30-300 Hz. The rendering methodology developed for the device is designed to activate tactile modalities based on users’ exploratory actions, leveraging data from the SENS3 database to synthesize realistic tactile sensations. This approach aims to replicate the experience of exploring surfaces with bare fingers, although it does not account for real-time interactions with physical materials, which would be necessary for mixed-reality applications.