在虛擬現實與增強現實技術不斷發展的今天，觸覺反饋作為提升沉浸感的關鍵環節，仍面臨消費級設備功能有限與專業設備成本高昂的雙重挑戰。目前，主流消費級觸覺設備多採用振動馬達作為反饋源，僅能模擬紋理、壓力等基礎觸感，難以還原物體重量、重力變化或加速度等動覺信息；而能夠實現動覺反饋的剛性外骨骼系統，又因結構笨重、價格昂貴，難以在普通消費者中普及。
在這一背景下，卡內基梅隆大學的研究團隊提出了一種名為Kinethread的全身觸覺外骨骼系統。該系統基於繩驅電機與滑輪結構，在保持輕量、低成本與穿戴便捷的同時，實現了高達120牛頓的力輸出，為消費級動覺反饋設備的發展提供了新的思路。
▍系統設計：繩驅機構與模塊化結構
Kinethread系統的核心設計採用了計算機控制的電動捲軸與繩索傳動機構，結合模塊化輕量戰術背心作為承載平台。
該背心不僅能夠將負載均勻分佈至背部、肩部與腰部，提升長時間穿戴的舒適度，還通過標準化織帶系統為電機和繩索提供了穩定的安裝點。系統共集成10個電動捲軸，其中8個布置於用戶腰部，既符合人體工程學設計，也能利用軀幹與肢體之間的重量差異，有效隱藏電機運行時的反向拉力，使用戶更清晰地感知來自肢體的力反饋。其餘電機則分佈於手部、腿部、腹部、背部及頭部等關鍵區域，實現對多個身體部位的精準觸覺支持。
在電機選型方面，系統採用兩種型號的高扭矩無刷直流萬向節電機，分別針對不同部位的力反饋需求進行模塊化配置。較大型號電機單體重265克，最大拉力42N，功率15.6W；較小型號則為140克，最大拉力17N，功率14.4W。通過合理搭配，整套系統含電池總重低於5公斤，穿戴時間控制在30秒以內，兼顧了性能與實用性。
繩索傳動機制中，研發團隊充分利用滑輪與絞盤等傳統機械結構的功能：定滑輪用於改變力的方向，例如通過肩部滑輪為手部提供上下拉力；動滑輪則提供兩倍機械增益，滿足腿部等部位對較大力量的需求；滑輪組和複合滑輪進一步放大輸出力並分散作用區域，例如背部採用三滑輪結構實現三倍增益，最大輸出力達120N，同時將力均勻分佈於背部表面。此外，絞盤機制使單個電機能夠實現雙向驅動，有助於降低系統複雜性與整體重量。
針對繩索鬆弛可能引起的反饋延遲問題，系統設計了雙重保障機制：在加載新VR場景時，電機會自動收緊所有鬆弛繩索，並通過監測旋轉角度確認張力狀態；在VR體驗過程中，系統會定期檢測阻力，一旦發現鬆弛即進行低扭矩回收，確保短時力效應如碰撞或爆炸能夠被準確感知。
在控制與軟件層面，每個電機連接定製驅動器，由多塊微控制器通過USB集線器與主機通信，採用開源SimpleFOC庫實現閉環控制，控制頻率約為2kHz。軟件部分基於Unity開發，支持連續背景觸覺、事件觸發觸覺與參數化觸覺三種模式，並可疊加振動與動覺效果，例如在賽車場景中同步模擬發動機振動、加速度與向心力反饋。
▍性能表現：力反饋與振動觸覺兼顧
性能測試結果顯示，Kinethread系統在力輸出、響應延遲、振動帶寬與功耗方面均具備消費級應用的潛力。電機可在50毫秒內達到峰值力，100毫秒左右趨於穩定，儘管滑輪機構因機械增益會帶來一定延遲，但仍可滿足擴展現實場景的實時性需求。振動反饋帶寬達到200Hz，即使在100Hz下仍能輸出超過3N的峰峰值力，足以被人體感知。系統待機功耗為1.5W，典型場景平均功耗10.9W，峰值功耗44.4W，搭配12V 5600mAh鋰電池可實現超過6小時的無線運行。
在成本方面，當前原型單套造價約為650美元，若實現萬套規模量產，成本有望降至420美元左右，其中電機為主要成本組成部分，其餘如微控制器、編碼器與背心等組件成本較低。系統設計已對外開源，便於後續研究與產業界進一步開發與優化。
▍應用場景：從靜態重力到動態衝擊
在應用層面，Kinethread可模擬包括振動、靜力、動態力、衝擊力與強制動畫在內的多種觸覺效果。例如，靜力效果可用於模擬手持物體重量或重力變化；動態力可還原線性加速度或向心力；衝擊力適用於武器後坐力或爆炸場景；強制動畫則能實現環境綁定或社交觸覺如握手、擁抱等交互體驗。
為評估用戶體驗，研究團隊開展了包含12名參與者的用戶研究，測試了10種觸覺場景在四種反饋條件下的表現。結果顯示，振動與動覺結合的條件在真實感、沉浸感、反應本能與圖形匹配度方面均顯著優於其他條件，所有參與者均將其列為首選。單獨使用動覺反饋的表現也優於僅使用振動反饋，尤其在引發用戶本能反應方面效果顯著，進一步驗證了動覺反饋在提升真實感方面的重要作用。
▍關於未來
儘管Kinethread在軟體機械人外骨骼領域取得了階段性進展，但該系統仍存在一定局限。例如，受限於繩索傳動原理，目前僅能實現「拉」力反饋，無法模擬「推」力；手部繩索走線存在鉤掛風險，而沿肢體布線又可能改變力矢量方向，影響反饋準確性。此外，滑輪機構可能在非目標位置產生殘餘力，振動效果也可能傳導至非預期部位，造成感知不一致。機械增益與響應延遲之間的固有矛盾，以及繩索收緊機制可能帶來的持續微小拉力，仍需在後續迭代中進一步優化。
展望未來，研究團隊計劃通過增加電機數量、擴展驅動區域以提升觸覺覆蓋的全面性；探索模擬彈力、浮力、摩擦力等更多類型的力反饋；優化捲軸布局以增強力的方向性與真實感；並研發更緊湊、低成本的電機，結合高傳動比滑輪機構，進一步降低系統重量與造價。
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