虚拟现实的嗅觉模拟系统

嗅觉在虚拟现实环境中的探索程度尚未达到与视觉和听觉相同的程度。对嗅觉设备进行的研究要少得多，而且很少有嗅觉设备可以轻松集成到虚拟现实应用程序中。

使用化学设备将气味纳入虚拟现实模拟仍是一种挑战，例如可能扩散到不需要的区域、缓慢消散、定义各种参数（例如浓度、频率和持续时间）以及用于控制气味扩散的适当软件解决方案。

本文旨在介绍一种非侵入式、移动、低成本和可穿戴的嗅觉显示器，以及一种软件服务，使开发人员能够轻松创建包含与虚拟现实耳机眼镜集成的嗅觉刺激的应用程序。

此外还有一个对32人进行的案例研究，以评估他们在使用嗅觉显示器时的满意度。研究结果表明，解决方案按预期工作，可以正确产生气味并易于推广到应用中。

虚拟环境通常只探索视觉和听觉刺激，触觉刺激位居第三，但相比之下，触觉输入非常有限。因此，其他一些对我们很重要的感官和我们许多经验的一部分被忽略了。

特别是，嗅觉对人类很重要：它用于发展物体意识，感知一个地方的季节和气氛以及饮食的基本组成部分。它影响我们的行为，并通过允许我们检测食物和环境中的危害来提供更大的生存潜力。

我们的嗅觉使用嗅觉神经将外部世界直接连接到边缘系统，边缘系统由大脑中处理情绪的结构组成，例如悲伤，愤怒，快乐，恐惧，惊吓，音调，疼痛和记忆。

嗅觉显示器（或气味接口）是将气味插入虚拟环境的设备。它们可能是定制虚拟现实房间内的多用户设备，例如CAVE（洞穴自动虚拟环境），也可以是注入低分散香味的单个设备，例如使用空气炮将气味吹向用户的鼻子。

尝试建立这样一个系统的历史由来已久。Sensorama是首批在虚拟现实环境中将嗅觉刺激与音频和视觉信息相结合的项目之一。它还具有运动，振动和直接风效应；但是，它不是交互式的。

一些研究已经解决了嗅觉中的许多问题，但许多挑战仍未解决，例如这些显示器参数的准确定义，例如浓度、频率、持续时间、可以混合以产生气味的成分的调色板，以及香味扩散到不需要的空间，甚至我们是否在睡眠时感知到嗅觉刺激，以及它们如何被用来操纵我们的梦境。

此外，一些研究表明，性别和年龄会影响人类的嗅觉。嗅觉显示需要由应用程序根据特定提示触发，并考虑到气味可能需要一些时间才能到达用户的鼻子。此外，嗅觉显示器与系统其余部分的物理集成也带来了挑战。在气味完全融入虚拟现实环境之前，这些仍然是需要解决的一些艰巨问题。

为了增加沉浸式环境空间中的现实感，并更紧密地模仿现实世界，我们开发了一种非侵入式、移动、低成本和可穿戴的嗅觉显示器，可以插入任何虚拟现实耳机，让气味立即以受控的方式到达用户的鼻子，不会蔓延到整个房间。我们还开发了一种具象状态转移软件服务，可以轻松地将这种嗅觉显示与虚拟现实应用程序集成。

对气味的感知具有与神经系统相关的特定方面。刺激是由几个相互独立的气味分子引起的。视觉和听觉由光和声音的频率决定，其范围可以通过屏幕和扬声器轻松复制。但是有无数的气味分子，不能随意立即合成。由于这些因素，气味的感知在虚拟现实应用中尚未得到充分探索。主要问题与人类嗅觉机制有关，而不是基于主要要素。

一些研究集中在气味合成和检测的发展上。传统上，气味生成基于化学分子，可以设计用于固定或移动排放。这种方法不是侵入性的，即用户以与现实世界中相同的方式接收气味。

它可以作为项链上的吊坠佩戴，以及一个软件程序，允许开发人员在其移动应用程序中添加气味。气味不会直接在用户的鼻子上散发，这可能会导致检测延迟，并要求设备产生大量气味。

可以通过一种可穿戴的嗅觉显示器，其中含有气味的空气通过管子输送到用户的鼻子。气味是根据用户的位置生成的，由空间定位传感器检测。虽然它是可穿戴设备，但它已连接到笔记本电脑。

多种气味会导致颗粒挥之不去的问题，需要去除异味，可通过产生电子可操纵的超声波驱动的窄气流来控制香水的空间分布。另一个可能的问题是气味分子在环境中的分布，这可以通过添加口罩来克服。

研究还侧重于气味的空间和时间控制，而不是综合。用户可以通过门口进入或离开四个房间。在每个房间中，生成与房间或物体相关的嗅觉信息。用户从一个房间移动到另一个房间，但嗅觉设备不会移动。用户还可以使用风力传感器操作物体。

大多数解决方案基于气味分子的使用。另一种方法是非化学实施，用弱电脉冲刺激鼻子中的嗅觉受体。非化学显示器的开发是一项艰巨的任务，需要触发嗅上皮中的嗅觉受体，例如通过在鼻孔的气味受体中产生电脉冲或通过将电极植入大脑的额叶。虽然这是一种有趣的方法，但它很复杂，成本高昂，而且在这一点上是侵入性的。

总之，尽管已经提出并实施了几种嗅觉显示器，但其中大多数价格昂贵或由于其复杂性而难以复制；它们很少提供移动性，也没有提供软件解决方案，使它们可以轻松地与虚拟现实应用程序集成。

使用简单且廉价的组件设计具有视觉、听觉和嗅觉输出的设备。选择智能手机来解决视觉和听觉显示。游戏引擎和移动设备硬件的进步使复杂的虚拟现实应用程序能够在智能手机上运行。使用智能手机还可以使用游戏引擎进行虚拟现实软件开发，并使用操纵杆或其他外部设备进行输入。

前提要求是易于连接到虚拟现实眼镜、重量轻、电池供电、成本低，并允许通过 API进行远程控制以打开和关闭它。正如本文所讨论的，市场上几乎没有商用系统，也找不到符合要求的现成嗅觉设备，所以只能设计。

为了制造嗅觉设备，需要一个控制器系统和一个香味发射器，以及驱动雾化器的电子设备。控制器选择了Raspberry Pi 3 Model B，这是一款著名的小型单板计算机，广泛可用且价格低廉。系统的尺寸为110mm 56毫米 35毫米（电路板），其总重量为239克（包括电池和气味储存库），电源采用锂聚合物电池3.7v 5 Ah。

气味是使用液体香料中的合成香精产生的，通过超声波雾化器蒸发。之所以选择超声波香精发射器，是因为它易于控制，响应时间快，并且发出足够的流量以立即到达用户的鼻孔。它通过快速振动压电陶瓷元件来工作，该元件使接触的液体蒸发。虽然不能通过电压或电流调节来控制强度，但强度可以通过香味开启的时间量来控制，在短时间内打开和关闭它。

未来的虚拟现实应用不仅应该使用视觉和听觉刺激，还要再现我们完整的感官体验，包括气味。嗅觉是人类重要的感知功能，能够改变心率、呼吸频率、血氧、皮肤弹性和血压。它由大脑根据上下文、预期和先前的学习进行处理，通过情绪和记忆增强用户体验。然而，它很少用于虚拟现实应用程序，到目前为止还没有做出足够的努力来包含它。虽然有几个商业项目正在开发嗅觉显示器，但目前没有一个可供购买。

嗅觉显示器可以安装在任何虚拟现实眼镜的前面，因为它又小又轻，非常靠近用户的鼻子。因此，它提供了充分的移动性，气味迅速到达用户的鼻子。该解决方案没有可能打扰用户的附件。它使用市售的现成组件，所有组件价格实惠且易于购买，是一个低成本且易于复制的系统。

使用此处描述的软件服务可以快速开发带有气味的新应用程序。该设备有可能用于不同领域的虚拟现实应用，例如旅游，营销，教育，培训和健康。例如，它可以帮助诊断疑似COVID-19患者的嗅觉丧失。实验表明，当我们分析浸泡、用户满意度和感知时，与使用纯水的应用程序相比，有气味的应用程序的用户报告了更好的体验，因此这种嗅觉设备为用户带来了积极的用户体验。

由于这项工作旨在验证原型，因此在未来的工作中将解决一些限制，特别是具有一种气味的简单应用。具有多个香氛的更复杂的应用程序对于模拟更真实的场景非常重要。接下来需要创建一个具有多个气味存储库的新版本，并创建具有不同气味和游戏引擎的其他虚拟现实应用程序。在未来的工作中，可以使用难闻的气味来完成相同的研究，以比较用户感知。