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“无处不在的实验室”!疫情之下物理学霸自创VR虚拟实验

封校期间,作为交大研究生不仅要听从学校指挥、落实抗疫制度,还有一项重要的任务就是维持科研工作的有序推进,然而实验室作为较为密闭的室内环境会极大地提升新冠交叉感染的风险,实验室的封控措施显得极为必要,这也为科研工作的开展带来一定的困难。

不去实验室就不能做实验了吗?对交大英亚登录的博士生严增泉来说这些都不是问题,对他来说只要戴上VR设备,实验室可以无处不在!

疫情催生出天马行空的“想象”

在宿舍隔离期间,严增泉苦于无法去实验室动手作实验,他开始思考怎样才能找到在实验室操作的感觉呢?他想到,随着VR虚拟现实设备和“元宇宙“概念的推广,使得虚拟世界和现实世界的联动和交互逐步从科幻走向现实,那是否可以足不出户,在虚拟世界中映射实验设备,并通过体感手势交互实现对虚拟实验器件的调控,达到足不出户实现线上实验的目标呢?

手势交互系统调控虚拟实验器件

大胆尝试实现从无到有

想法有了,于是说干就干。首先,他想到实验器件的调节往往需要复杂的手部动作。基于手柄的传统低自由度交互方式将难以满足实验需求,因此需要引入基于手势识别的高自由度交互方案。通过设定与实验器件匹配的抓握、移动、旋转,以及旋钮精细调节等交互逻辑,实现接近真实实验的感受。其次,他通过进一步加入实时的光学仿真逻辑,尝试实现诸如反射、折射、分束、耦合、干涉等过程,从而呈现更为精致的光学实验现象。最后一步,将计算所得画面无线传输至头戴显示器,并将图像分别投射至左右眼以获得立体的视觉感受,实现完全沉浸式的线上实验交互体验。经过反复尝试,不断修复其中出现的bug,终于功夫不负有心人,一套VR虚拟实验装置终于被严增泉发明出来了。

                                                   基于反射镜的实时光学仿真

                                                               三维重构所使用的深度相机

未来模拟实验新形态

VR线上虚拟实验所需装置非常简单,仅需一个头戴显示器和一台笔记本电脑便可实现,其应用也可以通过加入不同的仿真交互逻辑,扩展至化学、电子线路和工程类实验,为因疫情而无法开展的大学物理实验(针对本科生)、新进研究生实验学习(针对刚入学研究生)以及复杂光路的辅助规划(针对高年级研究生)提供一种无新冠感染风险的线上解决方案。

基于数字孪生技术的

超清室内大尺度三维重构模型

未来,如果利用低成本的深度相机结合“数字孪生“技术,对各实验室进行大尺度的超清三维实景重构,将数字孪生的实验室对象整合至线上平台,未来或可实现对校内实验室的线上沉浸式交互与导览。条件允许的情况下可在实验室内配置6轴机械臂和5G设备,远程将复杂手势交互映射至实验室的机械臂中,实现对实验室内器件的实体操作,便于疫情解封后直接开展实验测试。

三维重构所使用的深度相机

采访中,严增泉特别提到了自己的导师:冀淌谟虢鹣兔艚淌,表示非常感谢学院两位导师给予他充分的时间和自由度去研究那些新奇的事物,他认为好奇心是一切发明创造的原动力。

严增泉, 英亚登录博士生2017年进入英亚登录攻读物理学博士。第六届全国大学生物理学术竞赛冠军;2018年受邀为交大数学建模训练营开展主题为“背着Matlab一起去建模”讲座;2019年参与上海市市级科技重大专项“新一代量子接入网与量子通信系统技术研究“;2021年参与量子通信十四五规划撰写。

严增泉在实验室中

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