SPHaptics: A Real-Time Bidirectional Haptic Interaction Framework for Coupled Rigid-Soft Body and Lagrangian Fluid Simulation in Virtual Environments

📄 arXiv: 2511.15908v1 📥 PDF

作者: William Baumgartner, Gizem Kayar-Ceylan

分类: cs.GR

发布日期: 2025-11-19

备注: 9 pages, 9 figures

💡 一句话要点

SPHaptics：用于虚拟环境中刚体-软体耦合及拉格朗日流体实时双向触觉交互框架

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 触觉反馈 虚拟现实 多物理场模拟 平滑粒子流体动力学 双向力耦合

📋 核心要点

  1. 现有方法难以在多物理场环境中实现实时且精确的触觉反馈，因为流体、刚体和可变形体的物理模拟计算量巨大。
  2. 该论文提出一个统一框架，将SPH与双向力耦合和反馈平滑相结合，实现了刚体、可变形对象和拉格朗日流体的实时双向触觉交互。
  3. 通过VR场景验证，该框架能够模拟流体搅拌、软组织操作和刚体交互，为沉浸式教育应用提供支持触觉的多物理场模拟平台。

📝 摘要（中文）

触觉反馈通过允许用户与模拟对象进行物理交互来增强虚拟环境中的沉浸感。在多物理场系统中支持精确的力反馈具有挑战性，因为流体、刚性和可变形材料的物理模拟计算量很大，尤其是在必须实时进行交互时。我们提出了一个统一的框架，用于在虚拟现实（VR）中与刚体、可变形对象和拉格朗日流体进行实时双向触觉交互。我们的方法集成了平滑粒子流体动力学（SPH）与双向力耦合和反馈平滑，以保持稳定性并产生物理上有意义的触觉响应。这使得用户能够操纵浸没在流体中的物体，并感受到与流体-结构行为一致的反作用力。我们通过涉及流体搅拌、软组织操作和刚体交互的交互式VR场景展示了我们框架的能力。所提出的系统通过将流体、软体和刚体动力学统一到一个适用于沉浸式教育应用的平台中，从而推进了支持触觉的多物理场模拟。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决虚拟环境中刚体、可变形体和流体之间实时双向触觉交互的问题。现有方法在处理复杂的多物理场系统时，由于计算量大，难以保证实时性和触觉反馈的准确性，尤其是在需要模拟流体与固体之间的相互作用时。

核心思路：论文的核心思路是将平滑粒子流体动力学（SPH）方法与双向力耦合和反馈平滑技术相结合。SPH擅长模拟流体和可变形体的动力学行为，而双向力耦合保证了流体与固体之间力的传递和响应。反馈平滑则用于提高系统的稳定性，减少触觉反馈中的噪声。

技术框架：该框架包含以下主要模块：1) 基于SPH的流体和可变形体模拟模块；2) 刚体动力学模拟模块；3) 双向力耦合模块，负责计算流体与固体之间的相互作用力；4) 触觉反馈模块，将计算得到的力反馈传递给用户；5) 反馈平滑模块，用于提高触觉反馈的稳定性。整个流程是：用户在VR环境中与虚拟对象交互 -> 系统计算对象之间的相互作用力 -> 触觉反馈模块将力反馈传递给用户 -> 反馈平滑模块对力反馈进行平滑处理 -> 更新虚拟环境中的对象状态。

关键创新：该论文的关键创新在于将SPH方法与双向力耦合和反馈平滑技术相结合，实现了一个统一的框架，用于实时模拟刚体、可变形体和流体之间的相互作用，并提供准确的触觉反馈。与现有方法相比，该框架能够更好地处理复杂的多物理场系统，并保证实时性和触觉反馈的质量。

关键设计：在SPH模拟中，论文可能采用了特定的核函数和时间积分方案，以提高模拟的精度和稳定性。在双向力耦合中，论文可能采用了特定的力模型，用于计算流体与固体之间的相互作用力。在反馈平滑中，论文可能采用了特定的滤波器，用于减少触觉反馈中的噪声。具体的参数设置和技术细节需要在论文中进一步查找。

📊 实验亮点

论文通过VR场景展示了该框架的能力，包括流体搅拌、软组织操作和刚体交互。虽然摘要中没有给出具体的性能数据，但强调了该框架能够实时模拟复杂的多物理场系统，并提供准确的触觉反馈。这表明该框架在实时性和触觉反馈质量方面具有显著优势，为未来的研究和应用奠定了基础。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于虚拟现实教育、医疗培训、游戏开发等领域。例如，在医学培训中，医生可以使用该系统进行虚拟手术，感受软组织和器官的触感；在工程设计中，工程师可以使用该系统模拟流体与结构的相互作用，优化设计方案。该研究有望推动触觉交互技术在各个领域的应用，提高用户体验和工作效率。

📄 摘要（原文）

Haptic feedback enhances immersion in virtual environments by allowing users to physically interact with simulated objects. Supporting accurate force responses in multiphysics systems is challenging because physically based simulation of fluid, rigid, and deformable materials is computationally demanding, especially when interaction must occur in real time. We present a unified framework for real-time, bidirectional haptic interaction with rigid bodies, deformable objects, and Lagrangian fluids in virtual reality (VR). Our approach integrates Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) with two-way force coupling and feedback smoothing to maintain stability and produce physically meaningful tactile responses. This enables users to manipulate objects immersed in fluid and feel reaction forces consistent with fluid-structure behavior. We demonstrate the capabilities of our framework through interactive VR scenarios involving fluid stirring, soft tissue manipulation, and rigid-body interaction. The proposed system advances haptic-enabled multiphysics simulation by unifying fluid, soft-body, and rigid-body dynamics into a single platform suitable for immersive educational applications.