مهندسو KAIST يطورون طريقة بصرية لعرض الملمس اللمسي في الواقع الافتراضي

DAEJEON, South Korea — قدم باحثون في Korea Advanced Institute of Science and Technology تقنية عرض للواقع الافتراضي تحول الأحاسيس اللمسية إلى إشارات بصرية ديناميكية، مما يتيح للمستخدمين إدراك خشونة الأسطح الافتراضية دون ارتداء أجهزة استجابة لمسية. ومن خلال تعديل المحيط البصري والصورة الظلية للتجسيد الرقمي ليد المستخدم عند ملامستها للأسطح الرقمية ذات الملمس، ينقل النظام الخشونة الهيكلية عبر الإدراك البصري وحده. ويوفر هذا التطوير مساراً محتملاً نحو تبسيط التعاون متعدد المستخدمين في المساحات الرقمية المشتركة، حيث أعاقت التكلفة الباهظة والتعقيد الميكانيكي وزمن الاستجابة للقفازات اللمسية التقليدية تاريخياً تبادل البيانات اللمسية بين المشاركين.

## Key facts

- طور مهندسون في Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) نظام معالجة بصرية يرمز الخشونة الفيزيائية للأجسام الافتراضية إلى تغييرات ديناميكية في الخطوط المحيطة بيد المستخدم الرقمية. - تتيح المنهجية للمشاركين في بيئات الواقع الافتراضي (VR) قياس خصائص الأسطح بصرياً دون ارتداء قفازات ذات مشغلات لمسية أو أجهزة كهروميكانيكية للتغذية الراجعة بالقوة. - يعتمد هذا النهج متعدد الوسائط على الاستبدال الحسي البصري-اللمسي، مستغلاً قدرة القشرة البصرية البشرية على تفسير التشوهات الهيكلية كمقاومة فيزيائية أو ملمس. - صُمم الإطار لتسهيل المهام التعاونية عبر نظارات الواقع الافتراضي التجارية القياسية، مما يلغي تفاوت العتاد عندما يمتلك بعض المستخدمين معدات لمسية متخصصة بينما يفتقر إليها آخرون. - تكلف الأجهزة اللمسية الفيزيائية المخصصة لقطاع الشركات في الواقع الافتراضي بانتظام مئات إلى آلاف الدولارات للوحدة، وتضيف وزناً فيزيائياً وقيوداً على البطارية ومخاطر أعطال ميكانيكية يتجنبها هذا الأسلوب المعتمد على البرمجيات.

## What happened

وفقاً لما أورده موقع Tech Xplore، صمم فريق البحث في KAIST آلية واجهة تترجم ملامس الأسطح المجهرية إلى تعديلات بصرية عيانية على الصورة الرمزية الافتراضية للمشارك. وعندما يمد المستخدم يده لفحص جسم رقمي في بيئة افتراضية، تلتقط أنظمة التتبع البصري القياسية أو الأنظمة المعتمدة على وحدات التحكم الإحداثيات المكانية لليد بالنسبة للهندسة متعددة الأضلاع للجسم.

وبدلاً من محاولة تحفيز المستقبلات الميكانيكية لأطراف الأصابع البشرية من خلال الاهتزازات المادية أو الوسائد الهوائية المضغوطة أو التحفيز الكهربائي، يعدل نظام KAIST الحدود البصرية لنموذج اليد نفسه. ومع تحرك التجسيد الرمزي عبر أسطح ذات درجات متفاوتة من الخشونة، يخضع محيط الأصابع وراحة اليد الافتراضية لاضطرابات هندسية موضعية وفورية. وتشير التغيرات الحادة وعالية التردد في المحيط إلى ملامس خشنة أو كاشطة، في حين تعكس الخطوط المحيطية الأكثر سلاسة واستمرارية أسطحاً مصقولة أو عديمة الاحتكاك.

يوفر هذا التحول مؤشراً إدراكياً فورياً للملمس الفيزيائي. ونظراً لأن التغذية الراجعة تُعرض بالكامل عبر مسار معالجة الرسوميات لشاشة النظارة، فإنها تتجاوز الاختناقات المادية للمشغلات الميكانيكية. وفي بيئات التعاون متعددة المستخدمين، ينشئ النظام خط أساس إدراكي مشترك: حيث يمكن لأي مشارك يراقب مستخدماً آخر يتفاعل مع جسم ما أن يلاحظ مباشرة الخصائص اللمسية التي يواجهها، مما يخلق قناة سلبية للتواصل الحسي غير اللفظي لم تكن متاحة من قبل دون مجموعات أجهزة لمسية متطابقة.

## Why it matters

عانت أنظمة الواقعين الافتراضي والمعزز لعقود من "الفجوة اللمسية"—وهي الهوة الواسعة بين الانغماس البصري والتفاعل الميكانيكي. وفي حين تقدمت دقة الشاشات التجارية من شاشات منخفضة الكثافة إلى لوحات تتجاوز 2,000 بكسل لكل عين، لا تزال نماذج التفاعل المخصصة للمستهلكين والشركات مقتصرة إلى حد كبير على وحدات تحكم بلاستيكية صلبة محمولة باليد ومزودة بمحركات اهتزاز لمسية أساسية ذات كتلة لا مركزية دوارة أو رنين خطي. يمكن لهذه المحركات الأساسية الإشارة إلى اصطدام ثنائي أو اهتزاز عام، لكنها تعجز عن نقل خشونة السطح أو مرونته أو احتكاكه الهيكلي بدقة.

أما البدائل المتقدمة، مثل قفازات الهيكل الخارجي المدفوعة بمحركات ومصفوفات الموائع الدقيقة اللمسية، فتوفر دقة أعلى لكنها تفرض عقبات لوجستية كبيرة؛ إذ تتسم هذه الأجهزة بالهشاشة الميكانيكية، وصعوبة التنظيف في بيئات العمل المشتركة، والتعقيد في معايرتها عبر أحجام الأيدي المختلفة، فضلاً عن ارتفاع تكلفتها. ومن خلال نقل تمثيل الخشونة اللمسية بالكامل إلى إشارات بصرية، تزيل منهجية KAIST الحواجز المادية التي تعيق تبني النمذجة اللمسية المتقدمة.

ويحمل هذا التحول فوائد عملية ملموسة للمصممين الصناعيين والمهندسين المعماريين ومدربي الطب عن بُعد. إذ يمكن لفريق تصميم يقيّم نماذج افتراضية للتصميمات الداخلية للسيارات أو المنسوجات أو مواد البناء فحص اللمسات النهائية للأسطح والتواصل بشأنها في الوقت الفعلي دون شحن عينات فيزيائية أو توفير أجهزة طرفية باهظة الثمن لكل محطة عمل عن بُعد. وفي التطبيب عن بُعد والتعليم الجراحي، يمكن للطلاب الذين يراقبون التجسيد الرمزي للمدرب تسجيل حدود الأنسجة أو المقاومة الإجرائية بصرياً بناءً على تشوهات المحيط، مما يعزز وضوح التدريب. وعلاوة على ذلك، ومن خلال خفض المتطلبات الحاسوبية ومتطلبات العتاد اللازمة لتفسير ملامس الأسطح، توسع هذه التقنية نطاق الاستفادة من النظارات التجارية الجاهزة في التعليم والتصميم التعاوني وبرمجيات المستهلكين.

## The background

يعد الإدراك البشري متعدد الحواس بطبيعته، ويخضع للتكامل متعدد الوسائط حيث يدمج الدماغ باستمرار المدخلات البصرية والسمعية والجسدية لبناء تمثيل متماسك للواقع الفيزيائي. وعندما تقدم الحواس معلومات متضاربة أو تكميلية، يعتمد الدماغ بشكل متكرر على الهيمنة البصرية—وهي ظاهرة موثقة على نطاق واسع في الفيزياء النفسية حيث تعدل المنبهات البصرية التفسيرات اللمسية والحسية العميقة أو تتجاوزها. وأظهرت التجارب الإدراكية الكلاسيكية، مثل وهم اليد المطاطية وعروض التغذية الراجعة اللمسية الزائفة التي بدأت في أواخر تسعينيات القرن العشرين، أن تغيير السرعة البصرية أو إزاحة مؤشر الشاشة يمكن أن يخدع المستخدم ليشعر بمقاومة فيزيائية أو وزن صادرين عن فأرة حاسوب قياسية.

وفي الحوسبة المكانية الغامرة، استغل الباحثون مراراً اللمس الزائف لمحاكاة الخصائص الفيزيائية دون آلات متخصصة. وعدلت تجارب سابقة سرعة يد التجسيد الرمزي لمحاكاة اللزوجة، أو أضافت ارتعاشاً بصرياً لمحاكاة احتكاك السطح، أو عرضت تشوهاً كاذباً للأشكال الهندسية الرقمية الصلبة لمحاكاة الليونة الميكانيكية. ومع ذلك، واجهت محاكاة الملامس الدقيقة مثل الخشونة تاريخياً تحديات فريدة. ويعتمد إدراك الخشونة اللمسية في اليد البيولوجية على آليتين فسيولوجيتين متمايزتين: الترميز المكاني عبر المستقبلات الميكانيكية من النوع الأول بطيئة التكيف للملامس الخشنة (السمات الأكبر من نحو 200 ميكرومتر)، والترميز الزمني عبر جسيمات باتشيني سريعة التكيف للملامس الدقيقة (السمات الأصغر من 200 ميكرومتر) والتي تُكتشف من خلال الاهتزاز الديناميكي أثناء الحركة.

وتتطلب محاكاة كلا النظامين عبر مشغلات ميكانيكية استجابة ترددية واسعة النطاق، وزمن استجابة منخفضاً، ودقة مكانية عالية—وهي مواصفات تكافح الأجهزة اللمسية الحديثة لتوفيرها في أشكال خفيفة الوزن. وقد أمضى معهد KAIST، ومقره في Daejeon والمعترف به على نطاق واسع كأحد أرقى المؤسسات العلمية في South Korea، سنوات في دراسة التفاعل بين الإنسان والحاسوب، وواجهات الحوسبة المكانية، والهندسة الإدراكية. ويبني هذا المشروع الأخير على الأدبيات الراسخة في الاستبدال الحسي البصري—وهي ممارسة نقل البيانات من حاسة غير متاحة إلى قناة حسية نشطة—من خلال إثبات أن التعديل الديناميكي لحدود التجسيد الرمزي يوفر بديلاً موثوقاً للتمييز اللمسي دون التسبب في إجهاد بصري أو كسر الانغماس المكاني.

## Reaction

في حين لم تصدر ردود رسمية بعد من قطاع الصناعة عبر الأنظمة البيئية للمطورين التجاريين، يُتوقع أن يقيّم باحثو التفاعل بين الإنسان والحاسوب ومهندسو الحوسبة المكانية منهجية KAIST في المؤتمرات الأكاديمية الدولية المقبلة مثل ACM Symposium on User Interface Software and Technology (UIST) ومؤتمر IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces (IEEE VR).

وقد أكد مصممو الواجهات في قطاع الواقع الافتراضي للمؤسسات مراراً على الحاجة إلى حلول حسية تعتمد على البرمجيات لتجنب تشتت العتاد. وتجنب بائعو البرمجيات المستقلون الذين يطورون مساحات عمل تعاونية تاريخياً تصميم تفاعلات تعتمد بشكل كبير على اللمس بسبب انخفاض انتشار القفازات اللمسية في السوق. ونتيجة لذلك، يُنتظر أن تبحث مجتمعات المطورين مدى سهولة دمج خوارزمية تشويه المحيط الخاصة بـ KAIST في محركات الألعاب القياسية، وتحديداً Unity وUnreal Engine التابع لشركة Epic Games، واللذين يشغلان الغالبية العظمى من تطبيقات الواقع الافتراضي للمؤسسات.

وفي الوقت ذاته، من المرجح أن يدقق باحثو الإدراك المكاني في العبء المعرفي المرتبط بالتشوهات البصرية لليد. ففي بيئات المحاكاة المهنية، تعد دقة التجسيد الرمزي أمراً بالغ الأهمية لراحة المستخدم وشعوره بالتحكم. وقد يثير بعض المتخصصين في العوامل البشرية تساؤلات حول ما إذا كانت التقلبات المستمرة والمصطنعة في الحدود قد تسبب تشتيتاً بصرياً، أو تعطل انغماس المستخدم، أو تثير تأثيرات طفيفة لظاهرة "الوادي الغريب" (uncanny valley) إذا تشوه التجسيد الرمزي لليد بشكل مفرط أثناء أداء المهام الدقيقة.

## What we don't know yet

أغفل الملخص التكنولوجي الذي نشره Tech Xplore العديد من المعايير التقنية الحاسمة التي تحكم نطاق تشغيل النظام. إذ لم يفصل فريق البحث بعد العلاقة الخوارزمية الدقيقة بين قياسات خشونة الأسطح في العالم الحقيقي (مثل متوسط الخشونة Ra أو متوسط المربع الجذري للخشونة Rq) وتعديل التردد أو السعة أو اللون للمحيط البصري للتجسيد الرمزي. وما زال غير مؤكد ما إذا كان النظام قد تمت معايرته ليعكس مقاييس الأسطح الصناعية القياسية أم أنه يستخدم مقاييس بصرية تقريبية ونوعية.

بالإضافة إلى ذلك، لا تكشف المعلومات المتاحة عن العبء الحسابي الناتج عن حساب وعرض تشوهات الحدود الديناميكية في الوقت الفعلي على بنيات النظام على رقاقة (SoC) المتنقلة، مثل منصات Qualcomm Snapdragon XR2 المستخدمة في النظارات المستقلة مثل سلسلتي Meta Quest أو HTC Vive Focus. وتعمل النظارات المستقلة في ظل قيود حرارية وقيود بطارية صارمة، مما يعني أن أي مسار تظليل معقد لرؤوس المضلعات أو معالجة لاحقة للمحيط يجب أن يكون خفيف الوزن لتجنب انخفاض معدل الإطارات إلى ما دون عتبة 72-to-90 إطاراً في الثانية المطلوبة لمنع دوار الحركة.

ومن غير الواضح أيضاً مدى كفاءة أداء النظام عبر مجموعات المستخدمين المتنوعة؛ إذ يمكن لعوامل مثل حدة البصر، والعمر، والألفة مع التجسيدات الرقمية، والتدريب اللمسي المسبق أن تؤثر بشكل كبير على مدى فعالية ترجمة الفرد للتشوهات البصرية إلى فهم لمسي بديهي. ولم تُفصّل التجارب الفيزيائية النفسية الشاملة التي تقارن تصنيفات الخشونة الذاتية للمستخدمين بنماذج فيزيائية قياسية بشكل كامل في الوثائق العامة حتى الآن.

## What to watch

سيعتمد مسار الواجهة البصرية-اللمسية لـ KAIST على العديد من المحطات التقنية والإفصاحات المؤسسية المرتقبة:

- نشر مجموعات البيانات التجريبية الكاملة الخاضعة لمراجعة الأقران: ترقب الظهور الرسمي للورقة البحثية في مجلة أكاديمية معتمدة أو وقائع مؤتمر، وهو ما سيكشف عن أحجام عينات المشاركين، ومعدلات الخطأ، والدلالة الإحصائية، والمنهجيات الفيزيائية النفسية الدقيقة. - توفر حزمة أدوات تطوير البرمجيات: متابعة ما إذا كان فريق KAIST أو شركة منبثقة عنه ستطرح ملحقات برمجية مفتوحة المصدر أو حزم تطوير لمحركي Unity أو Unreal Engine، مما يتيح للمطورين الخارجيين اختبار مسار معالجة تشويه المحيط عبر الأجهزة الموجهة للمستهلكين. - دراسات التكامل متعدد الوسائط: مراقبة ما إذا كانت الإصدارات المستقبلية من البرنامج ستدمج تغيرات محيط اليد البصرية مع تغذية صوتية مجسمة راجعة—مثل أصوات الكشط أو الانزلاق الديناميكية—والتي ثبت تاريخياً أنها تعزز أوهام اللمس الزائف دون الحاجة إلى أجهزة لمسية ميكانيكية. - التجارب المؤسسية والبرامج التجريبية: البحث عن شراكات تقييمية محتملة مع شركات النماذج الافتراضية الصناعية، أو دور الأزياء الرقمية، أو أقسام تصميم السيارات الساعية لمقارنة هذه التقنية البصرية بمكتبات العينات الفيزيائية. - تبني صانعي العتاد للتقنية: متابعة تحديثات منصات المطورين من الشركات المصنعة لعتاد الحوسبة المكانية مثل Meta وApple وSony، لمعرفة ما إذا كانت أطر تتبع اليد المدمجة على مستوى نظام التشغيل ستتبنى حالات التلامس البصري المستوحاة من نهج KAIST.

يتضمن هذا المقال تقارير نُشرت في الأصل عبر Tech Xplore تفصل أبحاثاً أجراها Korea Advanced Institute of Science and Technology.