元宇宙是连接物质世界和非物质世界的共享虚拟现实空间，在这里用户可以与其他用户以及计算机生成的环境进行交互。元宇宙的核心是XR(扩展现实)技术，包括虚拟现实、增强现实和混合现实。当前的COVID-19大流行形势以及随之而来的远程社交需求正在加速元宇宙技术的发展。此外，Facebook收购虚拟现实技术公司Oculus VR Inc.，并将其更名为Meta，极大地提高了公众对XR技术的兴趣，并释放了元宇宙的真正潜力。

XR技术已经应用于娱乐(电影、媒体和游戏)、教育(交互式虚拟课程和实验室实验)、远程会议(VR活动、会议和会议)和产品设计，现在正在扩展到医疗保健(远程外科手术、手术规划、医疗培训和虚拟治疗)、零售业务(在线VR购物和电子商务的虚拟试衣间)、旅游(虚拟探险和实地考察)、工作学习和培训。高级房地产销售，以及健身和艺术行业1．

XR技术的进一步发展需要软件和硬件的进步。最近的进步是由软件开发驱动的，而相对较慢的硬件开发(设备和材料)正成为一个越来越重要的限制。XR设备通过人工重建人类的各种感官来创造对虚拟世界的人工感知，从而产生逼真和高度沉浸式的体验。用户使用XR设备，例如手套或紧身衣，因此，所有XR设备都可以被视为可穿戴电子系统。

用于XR的可穿戴电子设备

XR设备传递的信息主要根据感觉类型进行分类:视觉和听觉信息由头戴式显示器(hmd)和扬声器提供，触觉信息由利用机械或电子机制的触觉执行器提供。

基于视觉和听觉技术的商业VR产品非常成功，但触觉系统的进展相对缓慢。hmd主要覆盖两大感官(视觉和听觉)，结合了显示器和耳机。透明和可变形的显示器是关键组件，因为它们不仅提供高度逼真的虚拟视觉信息，而且还充当高效的用户界面。相比之下，触觉交互涉及物理空间和虚拟空间之间的触觉信息交换，并且需要用于触觉输入(物理空间到虚拟空间)的传感器和用于触觉反馈(虚拟空间到物理空间)的执行器。

触觉技术通过传感器和执行器感知和复制与环境相互作用产生的各种触觉，例如压力、剪切力和温度的动态变化。传感器获得触觉感知1检测用户的状况(身体运动、手势和生理状况)以及环境状况(虚拟空间中物体的温度、压力、纹理和形状)，而执行器在虚拟空间中人工重建这些信息。各种各样的触觉输入设备已经集成在可穿戴传感器中，但大多数触觉反馈设备仍然局限于非常简单的振动操作模式(振动-触觉)2复制有限的机械感觉。各种其他的触觉反馈装置，例如，基于冷和热的感觉(热触觉)3.，在虚拟空间中提供更身临其境的体验。

XR的软材料

目前，大多数商用XR设备都是刚性的。然而，由于触觉设备产生人工感觉，并将其从虚拟世界直接传输到用户的皮肤上，皮肤和XR设备之间的亲密和共形接触在沉浸式体验中具有非常重要的作用。因此，目前对下一代XR材料的研究主要集中在柔软的、类似皮肤的可穿戴电子材料上，以克服传统刚性电子材料的内在局限性。

可伸缩的导体

可拉伸的，皮肤安装软导体是XR设备中软触觉传感器的一个组成部分。可拉伸导体通常由本质可拉伸的功能导体(碳基纳米材料，如碳纳米管和石墨烯，金属纳米线渗透网络，液态金属或导电聚合物)或由不可拉伸导体制成的蛇形电极制成。

可拉伸热电材料

热触觉界面在XR中产生人工冷却和加热感觉3.．通过导电材料的电阻加热来实现加热功能相对简单，但是以可穿戴的形式来冷却是具有挑战性的。传统的制冷循环冷却需要庞大而复杂的系统。使用高效有机热电材料或刚性无机热电材料连接可拉伸蛇形金属导体的皮肤状软热电器件是有前途的选择。

变刚度的材料

变刚度的材料4改变它们的机械性能，在虚拟空间中产生柔软或僵硬的人造感觉。可以实现干扰的粒子或层状薄片、具有相变的低熔点材料、磁变或电流变材料都可以用来产生这些感觉。

柔软的致动器

执行器是振动触觉界面的组成部分。传统的刚性驱动器不适合XR应用，因为皮肤界面可能会出现不适，并降低了耐磨性。已经探索了各种软材料来实现，例如，介电弹性体致动器涉及柔性电容器，柔性电极之间夹有被动弹性体薄膜，流体弹性体致动器涉及嵌入气动或液压通道的弹性体复合材料，以及具有不同弹性模量的材料来诱导各向异性变形，以及由液晶弹性体或磁响应材料等材料制成的刺激响应执行器，它们对各种外部刺激(如热、电场或磁场或光)做出响应，具有可逆的形状变化或特定的编程模式2．

挑战

要为未来的元宇宙应用开发更真实的沉浸式XR设备，必须克服几个挑战。

首先，XR设备的最终目标是用真实的人工感觉欺骗用户。能够传递人类五种基本感官(视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉)感觉的XR设备将提供更丰富、更真实的虚拟体验，但嗅觉和味觉仍然没有被XR设备捕获，需要开发。同时实现所有五种感觉模式对于沉浸式和引人入胜的XR体验至关重要。

其次，XR设备由用户佩戴。除了功能性，最大的舒适性和可穿戴性是XR技术成功商业化的基本要求。目前，可穿戴性和功能性无法同时实现，因此开发人员必须在两者之间做出妥协。

第三，如果任何感觉缺失、延迟或不准确地再现，用户的大脑就会接收到虚拟空间和物理空间之间冲突的信号，从而导致恶心、头晕和偏头痛。信息不匹配必须通过提高产生的感觉的真实感和最小化XR设备中的延迟来最小化。

第四，当前XR设备的可用性受到连接到hmd的笨重电线的限制，以支持沉重的计算负载和大功耗。电线限制了使用过程中的自然运动。紧凑型电源和无束缚操作是未来XR器件发展的需要。

最后，除了技术问题，XR技术还涉及必须考虑的关键伦理问题，包括数据安全、隐私保护和心理健康风险5．先进XR系统的运行将涉及通过大量传感器收集大量个人数据。必须考虑技术和法律因素以保护隐私和个人信息。

前景

我们现在正在见证一个虚拟交互的新范式的开始，以元宇宙的形式。下一代XR应用的研究在很大程度上依赖于先进功能材料和设备的开发，如软触觉接口和传感器，以及支持柔性电子设备。XR设备与可穿戴电子技术和软机器人系统相结合，为医疗保健、康复和医疗提供了令人兴奋的新解决方案，通过实现3D器官或整个人体的数字双胞胎，提供了增强的远程手术、远程治疗或远程医疗体验，克服了地理限制。为了充分理解沉浸式XR设备的可测量参数和触觉感知之间的基本关系，还需要进一步的研究。最终的XR设备可能会通过与大脑的接口直接与人体集成。这种可植入的XR设备有可能将用户完全从外部硬件中解放出来。所有这些潜在的未来方向都严重依赖于先进材料的发展。