柔电大牛John A. Rogers最新Nature Electronics：一种无线触觉接口用于大面积皮肤的可编程触觉刺激

【导读】

触觉接口可以用来增加虚拟和增强现实体验的触感。柔软、灵活的设备可以将接触传递成时空触摸模式，在医学、体育和游戏领域的广泛应用尤其有趣。例如，在解剖的相关部位实时提供触觉反馈，可以加快在运动、体力劳动、军事演习、外科手术和身体康复中正确的动作顺序的训练。这种接口也可以用于有感官障碍的个体的感官替代。例如，在截肢的情况下，将触觉刺激传递到残肢的皮肤，可以方便地控制带有传感器的机器人假肢。触觉接口分布在手臂、腿、胸部和背部等大面积皮肤上，可以在复杂任务和日常生活活动的场景中提供额外的感觉形式。然而，为这类目的设计的传统设备由于体积庞大和笨重的外形因素而限制了其可用性，妨碍了舒适的界面、精细的时空分辨率和大面积覆盖，以及硬连线连接造成的复杂性和阻碍正常运动。在这里，一种集皮肤为一体的无线触觉接口技术，通过将小型振动-触觉致动器阵列与可伸缩控制电子器件、无线功率传输方案和无线通信方法集成在一起，解决了许多上述问题，由此产生的平台允许实时的、可编程的触觉刺激模式通过触屏和其他计算机界面传递到身体的不同位置。

【成果掠影】

近日，来自美国西北大学的John A. Rogers、黄永刚教授等人报告了一种这种类型的无线触觉接口，通过在大面积皮肤上以单一单位或通过无线协调收集信号，能够在大面积的皮肤上显示振动触觉模式。与以前的方法相比，该技术在整个系统尺寸(约为原来的2倍)和重量(约为原来的1倍)上都有所减少。这些系统的轻量化和灵活的设计结合了密度为每平方厘米0.73个驱动器，超过了除手和脸以外几乎所有身体区域皮肤机械感觉的两点辨别阈值。它提供了多模态驱动器，提高了触觉接合的强度和功率效率，延长了无线操作距离(约20倍)，并提供了电池和无电池操作的选项。它可以通过软件或压敏触摸屏对触觉驱动的强度进行实时控制，并根据独立的无线接口传感器网络的反馈提供快速操作选项，图形用户界面(GUI)允许通过Internet直接访问。一系列醒目的感觉和信息内容可以通过智能设备的压敏触摸屏控制的随时间变化的模式和驱动幅度，实时传递给皮肤中的机械感受器，延迟可以忽略不计。这种方法将从不同传感器获得的视觉、声音、压力和其他形式的信息真实地转化为大面积皮肤交互的触觉形式，并举例说明了该系统的能力。研究表明，这项技术可以用于传达导航指令，将高节奏的音乐轨迹转换为合理的触觉模式，并通过基于传感器机器人假肢的感觉置换为截肢者重建触觉感觉。

【核心创新

√系统架构：以相关密度分布高速、独立控制的驱动器阵列；电路设计及工作原理；

振动触觉驱动机理。

√大面积皮肤装配技术及定制触觉接口。

√感官、声音、压力转化为交互的触觉形式。

【数据概览

图1 结构设计，接触皮肤的机械界面和触摸屏控制系统

a、电子元件、电池组、振动致动器及封装结构的拆分图。

b、与皮肤相连的装置的横断面示意图。

c、配合不同皮肤解剖结构设计的各种形式的触觉界面。

d、实时控制编程驱动器的时空模式GUI照片。

图2 工作原理

a、触屏设备的触觉接口及其无线接口的电路、框图及连接机构。

b、展示压敏操作的照片和图表，其中触觉界面产生的振动强度和空间模式与手指施加在压敏触摸屏上的压力分布相匹配。一组压力传感器，从下方记录振动强度，以验证操作。

c、触屏设备记录的手指压力空间映射。

d、触觉界面产生的压力的空间映射，并记录在b所示的压力传感器阵列上。

图3 皮肤振动耦合力学

图4 通过预制构件组装触觉界面

a，由一个控制模块和七个可扩展模块组成的一组触觉驱动器。

b、由微控制器、无线通信单元、电源管理单元和一组执行器组成的控制块。

c、包括端口扩展器和一组执行器的可扩展块。

d-e、控制块(d)与可扩展块(e)的电路、框图及连接机构。

f-i、通过预制块组装而成的触觉界面照片。

图5 通过触觉驱动的时空模式传递视觉和听觉信息

a、基于gps的触觉导航系统的照片，该系统使用了集成在臂章中的触觉接口。

b、基于智能手机的gps导航应用程序的步行路线图像。

c、根据b所示的导航应用程序估计的时间，以及以触觉反馈为指令，在没有任何音频或视频输入的情况下到达目的地的实际测量时间。

d、将音乐转换为触觉表现的过程示意图。

e、对声音频率和分贝水平的实时分析结果。

图6 以触觉界面作为反馈控制机械手的感官替代

a|、感觉置换过程的照片和示意图。

b、显示假手指上压力传感器的位置。

c、30个压力传感器在触觉界面上执行器示意图。

d、100个用振动模式识别手指刺激的盲知觉测试的混淆矩阵结果。

e、假肢手抓住蛋壳与上臂的触觉反馈。

f、假肢传感器记录的压力空间分布。

【成果启示】

研究报告了一种模块化皮肤集成触觉接口系统，支持实时、高分辨率操作，基于来自一系列来源的控制信号，包括直接GUI输入和无线传感器网络。该方法有可能在几乎所有解剖部位的密度达到或超过两点辨别阈值时提供全身覆盖。平台对手和手指的触觉接口界面的技术协整可以为感官体验提供额外的机会。进一步的研究可以扩展与皮肤的相互作用模式，包括剪切和表面振动、静态位移甚至加热和冷却模式的独立驱动。这种方法可以在包括虚拟、增强和混合现实在内的许多新兴应用中形成一个基于触觉的信息通道的起点，为所谓的元世界和高级人机界面提供一个潜在的组件。

文献链接：

Nature Electronics: A wireless haptic interface for programmable patterns of touch across large areas of the skin

DOI: 10.1038/s41928-022-00765-3