The Effects of a Multi-Point Thermal Haptic Ring System on Presence in a VR Environment

기술 요약: VR 환경 내 현존감에 미치는 다지점 열적 햅틱 링 시스템의 효과

문제 제기
현대의 가상 현실(VR) 시스템은 설득력 있는 시각 및 청각 자극을 제공하지만, 가상 물체와의 상호작용은 물리적 완전성이 결여된 경우가 많다. 햅틱 피드백은 이러한 한계를 해결하는 데 필수적이지만, 열적 피드백(물질 식별 및 물체 식별의 핵심 속성)이 '현존감'(가상 환경에 존재한다는 주관적 경험)에 구체적으로 어떻게 기여하는지에 대한 연구는 여전히 미진하다. 기존의 열적 햅틱 연구는 주로 장치의 성능, 자극 감지 또는 물질 식별에 초점을 맞추었으며, 접촉에 의해 트리거되는 열적 피드백의 경험적 영향에 대해서는 충분히 탐구하지 않았다. 또한, 기존 연구들은 환경적 단서와 물체 특정적 단서를 결합하는 경우가 많아, 국소적인 접촉 기반 열적 피드백의 효과를 분리하여 파악하기 어렵다. 따라서 국소적인 접촉 트리거형 열적 피드백이 일반적인 몰입도(involvement)를 변화시키지 않으면서도 공간적 현존감(spatial presence) 및 경험적 실재감(experienced realism)과 같은 특정 차원의 현존감을 향상시키는지 여부를 결정할 필요가 있다.

연구 방법론
본 연구는 30명의 참가자(University of the West of Scotland의 학생 및 교직원)를 대상으로 카운터밸런스(counterbalanced) 방식의 피험자 내 설계(within-subjects design)를 채택하였다. 참가자들은 Meta Quest 2 헤드셋과 자체 제작된 열적 햅틱 장치를 사용하여 VR 환경과 상호작용하였다.

• 장치: 시스템은 검지와 약지에 착용하는 두 개의 독립 제어 링 모듈로 구성되었다. 각 링은 열전(Peltier) 모듈, 열가소성 엘라스토머 인터페이스, 내장 온도 센서 및 방열 시스템(알루미늄 히트싱크 및 그래핀 층)을 통합하였다. 링은 센서 피드백을 바탕으로 열 출력을 조절하는 외부 제어 장치에 연결되었다.
• 가상 환경: 환경에는 시각적으로 동일한 세 개의 회색 원기둥이 포함되었다. 참가자들은 시각적 온도 단서 없이 이들을 잡아야 했다.
• 조건:
  • 활성 조건(Active Condition): 원기둥을 잡으면 특정 열 명령이 트리거된다. 왼쪽 원기둥은 균일한 냉각(양쪽 링에 5°C 명령 전달)을 제공하였고, 가운데 원기둥은 공간적으로 차별화된 피드백(검지에 5°C, 약지에 약 42°C 전달)을 제공하였으며, 오른쪽 원기둥은 균일한 온열(양쪽 링에 약 42°C 전달)을 제공하였다.
  • 비활성 조건(Inactive Condition): 참가자들은 동일한 장치를 착용하고 동일한 과업을 수행하였으나, 열 출력이 활성화되지 않았다.
• 절차: 조건의 순서는 카운터밸런스 방식으로 결정되었다. 상호작용 중 참가자들은 최소 5초 동안 접촉을 유지하였다. 열 지각(강도 및 차별화)은 활성 조건 중에 조사되었다.
• 측정 항목:
  • 현존감(Presence): Igroup Presence Questionnaire(IPQ)를 사용하여 일반 현존감(PRES), 공간적 현존감(SP), 몰입도(INV), 경험적 실재감(REAL)의 네 가지 차원을 분석하였다.
  • 사후 평가: 실험 후 7점 리커트 척도를 사용하여 실재감, 몰입감 및 단서 적절성에 대한 기여도를 평가하였다.
  • 열 지각: 냉각 강도, 온열 강도 및 손가락 간의 열 차별화 명확도에 대해 7점 척도로 측정하였다.

주요 결과

• 현존감 지표: 활성 열 조건은 비활성 조건에 비해 공간적 현존감($M_{diff} = 1.17$, $p = .047$, $d_z = 0.38$)과 경험적 실재감($M_{diff} = 1.00$, $p = .048$, $d_z = 0.38$)에서 양(+)의 평균 차이를 보였다. 반면, 일반 현존감과 몰입도는 미미한 차이를 보였다($M_{diff} = 0.17$ 및 $-0.23$ 각각).
• 사후 평가: 참가자들은 실재감($M=5.07$), 몰입감($M=5.03$), 단서 적절성($M=4.93$)에 대한 열적 피드백의 기여도에 대해 긍정적인 평가를 제공하였다.
• 열 지각: 활성 조건에서 온열 강도의 평균값($M=5.20$)은 냉각 강도($M=3.97$)보다 높았다. 열 차별화는 66.7%의 참가자에 의해 인지되었다(평점 $\ge 4$). 단, 온열에 비해 변동성이 더 높게 나타났다.
• 통계적 맥락: 저자들은 네 가지 IPQ 결과가 다중성 조정 없이 검토되었으며, 두 개의 유의한 p-값은 .05 임계값에 근접했다는 점을 언급하였다. 따라서 이러한 결과는 예비적인 것으로 해석된다.

의의 및 주장
본 논문은 다지점 웨어러블 시스템을 통해 전달되는 국소적 열 피드백이 가상 물체 접촉의 공간적 및 실재적 특성을 지원할 수 있다고 주장한다. 결과는 열적 단서가 시각적 물체 상호작용과 공간적 및 시간적으로 일치할 때, 상호작용의 개연성(경험적 실재감)과 환경 내에 위치해 있다는 느낌(공간적 현존감)을 향상시킬 수 있음을 시사하며, 반드시 전체적인 참여 수준(몰입도)을 변화시키는 것은 아님을 보여준다.

본 연구는 독립적으로 제어되는 손가락 착용형 열 모듈을 VR 워크플로우에 통합하는 기술적 타당성을 입증하였다. 그러나 저자들은 본 결과가 균일한 피드백 대비 공간적으로 차별화된 피드백의 우위를 확립한 것은 아니라고 명시적으로 밝히고 있는데, 이는 IPQ 결과가 매핑 유형 간의 직접적인 비교가 아닌 통합된 활성 조건을 나타냈기 때문이다. 이 결과들은 향할 가치가 있는 예비적 증거로 취급되며, 특히 균일 매핑과 차별적 매핑을 직접 비교하고 자기 보고 외에 행동 측정치를 포함하는 가설 중심의 추가 연구를 필요로 한다.