研究背景与作者信息
这篇文章题为《ThermoVR: Exploring Integrated Thermal Haptic Feedback with Head Mounted Displays》，发表在CHI 2017会议上，由以下作者协同完成：Roshan Lalintha Peiris、Wei Peng、Zikun Chen、Liwei Chan、Kouta Minamizawa。作者分属于日本Keio University Graduate School of Media Design和台湾国立交通大学。研究通过整合热反馈模块与头戴显示设备（Head Mounted Displays, HMDs）的结合，探索热触觉反馈在虚拟现实（Virtual Reality, VR）中所带来的沉浸式体验和方向性提示。
学术背景与研究目的
虚拟现实技术近年来受到了广泛的关注。头戴显示设备作为虚拟现实的核心交互硬件，主要以视觉输出为特征。然而，为了进一步提升用户的沉浸感，近年来的许多研究试图将其他类型的感官输出与HMD结合，例如振动、惯性控制等触觉反馈系统（haptic feedback）。触觉技术研究显示，热触觉能够显著增强用户的感知与沉浸感，目前已有研究探讨在手腕、手掌、耳朵等部位引入热触觉。然而，较少有研究将热触觉集成至HMD，并用于提供空间方向提示（spatial cues）和沉浸式热感受（thermal immersion）。本研究的目标是整合热触觉反馈模块与HMD，探索用户对于热/冷刺激的感知能力以及这些反馈对虚拟现实沉浸体验的影响。
研究框架与实施细节
设备与系统设计
研究团队开发了一种名为ThermoVR的原型设备，通过在HMD的面部接口区域集成五个热电模块（Peltier Modules），实现了高效的热传导反馈。Peltier模块采用1.5cm x 2cm的尺寸设计，安装在用户额头和两眼下方的标准脑电图10-20系统位置，如下所示：
硬件布局
- 模块通过自定义3D打印支架固定。
- 控制系统由TA7291全桥电机驱动器和Arduino Nano微控制器组成，采用闭环PID（比例-积分-微分）温度控制器以实现精准温度调节。
温度调节能力
- 每个模块的温度可在±30°C/s内变化。
- 热刺激为初始皮肤温度基础上+30°C，冷刺激为-30°C变化。
感知部位与设计目标
- 系统设计旨在提升感受热触觉空间方向性提示（directional cues），以及在VR场景中利用热/冷刺激增强沉浸感。
实验设计与执行流程
实验一：方向性提示识别的准确性测试
目标：评估通过热触觉反馈传递的方向性提示的感知准确性。
实验流程：
- 分别施加热（+30°C）和冷（-30°C）刺激于预定义的9个方向位置（左上、上、右上等）。
- 每次刺激持续1秒后5秒维持总温，之后重置至皮肤初始温度。
- 每个方向和温度组合重复测试5次，以随机顺序进行90个任务（9方向x2温度x5次）。
实验对象：
- 15位健康参与者（平均年龄28岁，9男6女），熟悉HMD的使用。
- 实验用时约40分钟/人。
实验二：热沉浸体验的评估
目标：探索热触觉刺激与视觉内容的结合对虚拟现实沉浸感的影响。
- 实验流程：
- 热/冷/无刺激三种条件下，分别展示与这些条件相关的视觉场景。
- 每种条件重复5次，呈现顺序随机。
- 使用改编的《Presence Questionnaire》中两组问题评估“视觉参与感”和“热环境体验感”。参与者用0-7分评价其感受。
研究结果
方向性提示的感知准确性
总体准确率与任务时长
- 冷刺激的感知准确率为89.49%，响应时间2.25秒。
- 热刺激的感知准确率为68.59%，响应时间2.96秒。
具体方向表现
- 冷刺激方向“上”的准确率高达96%。
- 热刺激在额头方向（左上、上、右上）的准确率偏低，且常被误判。
主观反馈
- 部分受试者发现热刺激扩散性较强，尤其在额头区域困难于识别方向；冷刺激则更清晰。
热沉浸体验
视觉参与感无显著差异
- 无刺激、热刺激、冷刺激条件下得分分别为4.68、4.5和4.71，无显著统计差异。
热环境体验显著增强
- 热刺激和冷刺激条件下得分显著高于无刺激（5.9和6.08 vs 1.14），热/冷之间无明显差异。
参与者主观反馈
- 冷刺激常联想到“风”或“水下”，热刺激让人联想到“开烤箱”的感觉，显示其沉浸式效果。
研究结论
- 方向性提示：冷刺激在方向性提示中表现显著优于热刺激，准确率高，且混淆较少。
- 热沉浸体验：热/冷触觉刺激显著增强了虚拟现实场景的沉浸感，相较视觉刺激带来了更强烈的临场体验。
- 应用场景：
- 引入了“Where’s My Camp”和“What is the Weather”两个示例应用，分别展示了热/冷触觉反馈在游戏导航及沉浸式天气体验中的潜力。
研究亮点与创新
- 首次将热触觉模块集成到HMD，并支持空间方向性提示和沉浸式体验。
- 提供了高效的±30°C/s温度变化率，结合闭环PID控制确保触觉反馈的精准性。
- 探索性研究指出冷刺激在虚拟现实触觉交互中的适用性，填补了该领域空白。
研究局限与未来展望
- 热扩散问题：下一步优化模块接触舒适性，采用更柔软材料缓解这种问题。
- 设备优化：通过更轻量化设计改善佩戴时间限制。
- 后续方向：将研究扩展至后颈区域，探索温度变化速率和刺激组合，以及与振动反馈等多通感知的融合。
研究意义与价值
ThermoVR通过集成原型设备和系统评估，证明了热触觉反馈在虚拟现实体验增强中的潜力。冷刺激不仅能够显著提升方向提示的准确性，还能深度增强用户沉浸感。本研究为热触觉技术在数字交互设计中的应用开拓了新方向，尤其在游戏、教育及沉浸式娱乐领域具有广泛的应用前景。