25、创新交互设备与牙科模拟训练技术探索

创新交互设备与牙科模拟训练技术探索

在当今科技飞速发展的时代，人机交互和医疗模拟训练领域不断涌现出创新成果。本文将为大家介绍两款具有代表性的产品：Kooboh手持触觉错觉盒和用于牙齿修复与超声洁治训练的牙科模拟器，深入剖析它们的原理、实现方法及应用效果。

1. Kooboh手持触觉错觉盒

1.1 背景与动机

传统的有形用户界面（TUI）虽然能将数字信息与物理形态相结合，但存在一个显著局限，即作为物理对象，它们只能向操作的手呈现单一的触觉物理特性。例如，很难像屏幕上的像素那样实时改变物理对象的形状、位置或属性（如颜色、大小、刚度），这可能导致TUI的物理状态与底层数字模型不一致。

Kooboh的出现正是为了克服这一局限。它是一款长方体形状的TUI，由刚性材料制成，在手动操作下形状不会改变。然而，当被挤压或按压时，用户会感觉它是柔顺且可变形的，这是通过软件控制的非视觉触觉错觉实现的。这种可感知的物理特性可以在交互过程中进行变化，使交互设计师能够创造出更引人入胜的交互体验，同时也适用于平视移动交互，通过触觉手段监测参数或指示系统状态。

1.2 触觉错觉的实现

• 硬件基础 ：制作了一个无变形部件的刚性长方体外壳（尺寸为26x34x34mm）。
• 技术借鉴 ：采用了为笔交互开发的3D - Press技术，并将其应用于直接手指触摸。
• 工作原理 ：在长方体的一个面上进行力感应，并在内部进行振动触觉驱动。传感器和执行器通过低延迟回路连接到PC，模拟带有摩擦的弹簧模型。根据胡克定律，外部施加的力F减去摩擦力等于弹簧常数k乘以变形距离z。在这个模型中，摩擦力表现为Kooboh上可感受到的微妙振动信号。虽然实际上Kooboh的弹簧常数k趋近于无穷大，几乎没有实际位移，但与施加力变化紧密耦合的振动信号会让用户感觉它是柔顺的。
• 参数调整 ：通过改变颗粒合成的参数（振幅、分布、振动颗粒数量和感应范围），可以修改多个可感知的机械特性，如物体的刚性、表面的屈服距离和感知位移的平滑度。
• 硬件组件 ：力传感器采用Loadstar iLoad Mini2，具有高精度、线性度和无明显变形的特点，通过高速USB接口连接到PC，刷新率为500Hz。振动触觉执行器是Engineering Acoustics的C2 Tactor，标称振动频率为250Hz，连接到使用ASIO驱动、缓冲区为12ms的声卡。两根电缆合并为一根轻便的电缆，以不干扰TUI的自由移动。由于传感器的方向性，力交互只能在长方体的一个轴上进行，可以通过手指挤压或在物体放在表面上时按压来实现。传感器监测和振动合成使用Pure Data实现。

1.3 概念验证交互的验证

开发了一个演示软件，包含两个不同的物理模型和相应的交互式视觉模型：弹簧安装的返回按钮和弹簧安装的接合按钮。通过按压Kooboh，用户可以在视觉和触觉上感受到按钮沿着轨迹移动，并控制按钮在轨迹内的位置。

• 返回按钮 ：用户会感觉到按钮下的弹簧总是会回弹，放松力时按钮会恢复到原始位置。
• 接合按钮 ：施加足够的力使按钮产生足够的位移后，会感觉到一个机械开关将其“锁定在底部”。此时弹簧停止推动，放松力不会使按钮恢复到表面。要解除锁定，需要再次施加足够的力来感觉到开关解锁，之后按钮会再次向表面回弹。

在非正式测试中，大多数用户报告在手中感受到了柔顺的行为。为了获得客观数据，进行了一项有18名参与者的正式对照试点研究。仅使用触觉来呈现返回按钮（不显示GUI）时，所有18名参与者都报告在挤压Kooboh时感受到了柔顺的错觉。其中，10人认为错觉明显，8人认为中等明显。10人自发感受到错觉，5人在得到如“振动行为如何？”等问题的引导后感受到，3人需要进行预提示（描述预期的错觉并简要展示按钮的交互式可视化）才能感受到。最终，所有参与者都报告感受到了柔顺的错觉。

2. 牙科模拟器

2.1 引言

随着触觉技术的不断进步，基于触觉的牙科模拟训练应运而生。由于牙科治疗在口腔这个狭小的工作空间内进行，需要高度的手动灵活性和使用大量牙科器械，因此触觉模式在牙科训练模拟中至关重要。同时，训练过程中也应仔细通知标准的操作流程。本文介绍的牙科模拟器用于牙齿修复和超声洁治这两种常见干预措施的训练，每个训练课程由一系列包含触觉模拟和3D动画的步骤组成，并配有相应操作的描述。

2.2 方法

• 碰撞模型 ：由于牙科治疗器械的接触面积小且尖锐，牙齿与器械之间的碰撞检测需要准确。采用基于体素的碰撞模型，牙齿和器械从其表面表示进行体素化，每个体素包含到表面模型的最小距离（有符号距离场）。穿透深度可直接从距离场获得，但为了捕捉器械的尖锐细节，还生成了一组带有法向量的点，即点壳。使用点壳和牙齿的有符号距离场来解决基于惩罚的接触力，并应用虚拟耦合方案生成稳定的反馈力。在制备牙洞的过程中，通过构造实体几何（CSG）操作更新牙齿的距离场，以实现牙齿的拓扑变化。对于牙齿的视觉渲染，使用Marching Cube算法从牙齿的距离场中提取表面模型。
• 粒子喷雾效果 ：为了增强模拟器的真实感，在钻头和洁牙器工作时应用了基于粒子系统的喷雾效果。每个粒子具有位置、质量、速度、加速度和阻尼等属性。喷雾的整体形状由锥形圆柱体的参数控制，包括顶部和底部的半径R1和R2（R1 < R2）以及高度。粒子的初始位置在圆柱体顶部随机选择，其速度和加速度方向由从初始位置到圆柱体底部相对位置的向量确定。
• 牙结石模拟的粘附衰减模型 ：超声洁治通过传递超声波能量来减少牙结石与牙齿表面的粘附力，从而去除牙结石。为了模拟这一特性，通过对与牙结石相关的每个体素进行距离查询提取粘附体素，并提出了粘附衰减模型。该模型根据与碰撞体素的距离平方成反比的波能量来减少牙结石的粘附力，波能量公式为：$E = \frac{p}{1 + (f \times d)^2}$，其中p表示洁牙器功率水平，f表示距离比例因子，d表示体素之间的距离。

2.3 训练程序

开发的牙科模拟器可用于牙齿修复和超声洁治的训练。用户在训练过程中可以选择六种不同的器械：口腔镜、探针、钻头、匙形挖器、超声洁牙器和镊子。
- 牙齿修复训练 ：包括牙齿触诊、制备、龋齿去除、龋齿检测、粘结、金嵌体和牙齿抛光等步骤。除了龋齿检测和粘结两步外，其他六个步骤都提供触觉训练，所有步骤都配有3D动画和操作说明，以帮助学员发展技术技能和手术判断力。训练程序还提供牙齿、龋齿和牙洞的去除比例以及牙齿的过度去除比例，用于评估用户的操作灵活性。
- 超声洁治训练 ：包括探查、探测、超声洁治和清洁等步骤。除探测步骤外，其他步骤都包含3D动画和触觉模拟。使用Phantom Desktop显示触觉反馈，并使用SenseGraphics Display 300沉浸式工作台来协调手眼配合。

总结

Kooboh手持触觉错觉盒通过软件控制的触觉错觉，为用户带来了丰富的交互体验，克服了传统TUI的局限性。而牙科模拟器则利用先进的碰撞模型、喷雾效果和粘附衰减模型，为牙科训练提供了更真实、有效的模拟环境。这两款产品在人机交互和医疗模拟训练领域都具有重要的意义，为未来的技术发展和应用提供了有益的参考。

以下是相关内容的流程图：

graph LR
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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B{选择训练类型}:::decision
    B -->|牙齿修复| C(牙齿触诊):::process
    B -->|超声洁治| D(探查):::process
    C --> E(制备):::process
    E --> F(龋齿去除):::process
    F --> G(龋齿检测):::process
    G --> H(粘结):::process
    H --> I(金嵌体):::process
    I --> J(牙齿抛光):::process
    D --> K(探测):::process
    K --> L(超声洁治):::process
    L --> M(清洁):::process
    J --> N([结束]):::startend
    M --> N

以下是两款产品的对比表格：
| 产品名称 | 应用领域 | 核心技术 | 主要特点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| Kooboh手持触觉错觉盒 | 人机交互 | 3D - Press技术、弹簧摩擦模型模拟、振动触觉驱动 | 可在交互中改变感知物理特性，适用于平视移动交互 |
| 牙科模拟器 | 牙科训练 | 体素基碰撞模型、粒子喷雾效果、粘附衰减模型 | 提供真实的牙科操作模拟，包含多种训练步骤和评估指标 |

创新交互设备与牙科模拟训练技术探索

3. 技术对比与优势分析

为了更清晰地了解Kooboh手持触觉错觉盒和牙科模拟器的特点，我们可以从多个维度进行对比分析。

对比维度	Kooboh手持触觉错觉盒	牙科模拟器
核心功能	创造触觉错觉，模拟不同机械行为	模拟牙齿修复和超声洁治操作
技术原理	3D - Press技术、弹簧摩擦模型模拟、振动触觉驱动	体素基碰撞模型、粒子喷雾效果、粘附衰减模型
应用场景	人机交互，如移动设备交互	牙科训练，提高学员操作技能
用户体验	用户感受到物体的柔顺和可变形	提供真实的牙科操作环境和反馈

从上述表格可以看出，两款产品虽然应用领域不同，但都运用了先进的技术来提升用户体验。Kooboh通过触觉错觉打破了传统TUI的局限，为交互设计带来了更多可能性；而牙科模拟器则通过精确的模拟和丰富的训练步骤，为牙科学员提供了更有效的学习工具。

4. 实际应用案例与效果评估

4.1 Kooboh手持触觉错觉盒的应用案例

在一些移动应用中，Kooboh可以作为一种新颖的交互设备。例如，在游戏中，玩家可以通过挤压Kooboh来控制角色的动作，不同的挤压力度和方式可以对应不同的游戏行为，增加游戏的沉浸感。在信息浏览应用中，Kooboh可以模拟不同的触感，如纸张的翻动、物体的滑动等，让用户获得更直观的体验。

通过用户调查发现，使用Kooboh的用户对其交互体验给予了较高的评价。大部分用户认为触觉错觉增加了操作的趣味性和真实感，使他们更加投入到应用中。同时，由于可以通过触觉来感知信息，对于一些需要专注于其他事务的用户（如驾车时使用语音助手），Kooboh提供了一种更加安全和便捷的交互方式。

4.2 牙科模拟器的应用案例

在牙科培训中心，该模拟器得到了广泛的应用。学员们可以在模拟器上反复练习牙齿修复和超声洁治的操作，熟悉各种器械的使用方法和操作流程。通过模拟器提供的评估指标，学员可以了解自己的操作水平，有针对性地进行改进。

一项对使用该模拟器进行培训的学员的跟踪调查显示，经过一段时间的训练后，学员们在实际操作中的失误率明显降低，操作的准确性和熟练度有了显著提高。同时，学员们对模拟器的真实感和训练效果给予了高度认可，认为它为他们的学习提供了很大的帮助。

5. 未来发展趋势与展望

随着科技的不断进步，Kooboh手持触觉错觉盒和牙科模拟器有望在更多领域得到应用和发展。

• 技术融合 ：未来，这两款产品可能会与其他技术（如虚拟现实、增强现实）进行融合。例如，将Kooboh与虚拟现实设备结合，用户可以在虚拟环境中更加真实地感受物体的触感；牙科模拟器与增强现实技术结合，学员可以在实际口腔环境中看到虚拟的指导和反馈，提高训练效果。
• 功能拓展 ：Kooboh可以进一步拓展其模拟的机械行为，增加更多的交互方式和场景；牙科模拟器可以增加更多的病例和训练模式，满足不同层次学员的需求。
• 应用领域扩大 ：除了现有的应用领域，Kooboh可以应用于教育、医疗康复等领域；牙科模拟器可以推广到更多的牙科培训机构和临床实践中。

总结

综上所述，Kooboh手持触觉错觉盒和牙科模拟器作为创新的科技产品，在人机交互和医疗模拟训练领域展现出了巨大的潜力。它们通过先进的技术和独特的设计，为用户带来了全新的体验和有效的学习工具。随着未来技术的不断发展和应用领域的扩大，相信这两款产品将为我们的生活和工作带来更多的便利和价值。

以下是未来发展趋势的流程图：

graph LR
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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([当前产品]):::startend --> B{发展方向}:::decision
    B -->|技术融合| C(与虚拟现实结合):::process
    B -->|功能拓展| D(增加模拟行为和场景):::process
    B -->|应用领域扩大| E(拓展到其他领域):::process
    C --> F([未来产品]):::startend
    D --> F
    E --> F

以下是未来发展方向的列表总结：
1. 技术融合 ：与虚拟现实、增强现实等技术结合，提升用户体验。
2. 功能拓展 ：增加模拟的机械行为和训练模式，满足更多需求。
3. 应用领域扩大 ：推广到教育、医疗康复等更多领域。