柔電大牛John A. Rogers最新Nature Electronics：一種無線觸覺接口用于大面積皮膚的可編程觸覺刺激

【導讀】

觸覺接口可以用來增加虛擬和增強現實體驗的觸感。柔軟、靈活的設備可以將接觸傳遞成時空觸摸模式，在醫學、體育和游戲領域的廣泛應用尤其有趣。例如，在解剖的相關部位實時提供觸覺反饋，可以加快在運動、體力勞動、軍事演習、外科手術和身體康復中正確的動作順序的訓練。這種接口也可以用于有感官障礙的個體的感官替代。例如，在截肢的情況下，將觸覺刺激傳遞到殘肢的皮膚，可以方便地控制帶有傳感器的機器人假肢。觸覺接口分布在手臂、腿、胸部和背部等大面積皮膚上，可以在復雜任務和日常生活活動的場景中提供額外的感覺形式。然而，為這類目的設計的傳統設備由于體積龐大和笨重的外形因素而限制了其可用性，妨礙了舒適的界面、精細的時空分辨率和大面積覆蓋，以及硬連線連接造成的復雜性和阻礙正常運動。在這里，一種集皮膚為一體的無線觸覺接口技術，通過將小型振動-觸覺致動器陣列與可伸縮控制電子器件、無線功率傳輸方案和無線通信方法集成在一起，解決了許多上述問題，由此產生的平臺允許實時的、可編程的觸覺刺激模式通過觸屏和其他計算機界面傳遞到身體的不同位置。

【成果掠影】

近日，來自美國西北大學的John A. Rogers、黃永剛教授等人報告了一種這種類型的無線觸覺接口，通過在大面積皮膚上以單一單位或通過無線協調收集信號，能夠在大面積的皮膚上顯示振動觸覺模式。與以前的方法相比，該技術在整個系統尺寸(約為原來的2倍)和重量(約為原來的1倍)上都有所減少。這些系統的輕量化和靈活的設計結合了密度為每平方厘米0.73個驅動器，超過了除手和臉以外幾乎所有身體區域皮膚機械感覺的兩點辨別閾值。它提供了多模態驅動器，提高了觸覺接合的強度和功率效率，延長了無線操作距離(約20倍)，并提供了電池和無電池操作的選項。它可以通過軟件或壓敏觸摸屏對觸覺驅動的強度進行實時控制，并根據獨立的無線接口傳感器網絡的反饋提供快速操作選項，圖形用戶界面(GUI)允許通過Internet直接訪問。一系列醒目的感覺和信息內容可以通過智能設備的壓敏觸摸屏控制的隨時間變化的模式和驅動幅度，實時傳遞給皮膚中的機械感受器，延遲可以忽略不計。這種方法將從不同傳感器獲得的視覺、聲音、壓力和其他形式的信息真實地轉化為大面積皮膚交互的觸覺形式，并舉例說明了該系統的能力。研究表明，這項技術可以用于傳達導航指令，將高節奏的音樂軌跡轉換為合理的觸覺模式，并通過基于傳感器機器人假肢的感覺置換為截肢者重建觸覺感覺。

【核心創新

√系統架構：以相關密度分布高速、獨立控制的驅動器陣列；電路設計及工作原理；

振動觸覺驅動機理。

√大面積皮膚裝配技術及定制觸覺接口。

√感官、聲音、壓力轉化為交互的觸覺形式。

【數據概覽

圖1 結構設計，接觸皮膚的機械界面和觸摸屏控制系統

a、電子元件、電池組、振動致動器及封裝結構的拆分圖。

b、與皮膚相連的裝置的橫斷面示意圖。

c、配合不同皮膚解剖結構設計的各種形式的觸覺界面。

d、實時控制編程驅動器的時空模式GUI照片。

圖2 工作原理

a、觸屏設備的觸覺接口及其無線接口的電路、框圖及連接機構。

b、展示壓敏操作的照片和圖表，其中觸覺界面產生的振動強度和空間模式與手指施加在壓敏觸摸屏上的壓力分布相匹配。一組壓力傳感器，從下方記錄振動強度，以驗證操作。

c、觸屏設備記錄的手指壓力空間映射。

d、觸覺界面產生的壓力的空間映射，并記錄在b所示的壓力傳感器陣列上。

圖3 皮膚振動耦合力學

圖4 通過預制構件組裝觸覺界面

a，由一個控制模塊和七個可擴展模塊組成的一組觸覺驅動器。

b、由微控制器、無線通信單元、電源管理單元和一組執行器組成的控制塊。

c、包括端口擴展器和一組執行器的可擴展塊。

d-e、控制塊(d)與可擴展塊(e)的電路、框圖及連接機構。

f-i、通過預制塊組裝而成的觸覺界面照片。

圖5 通過觸覺驅動的時空模式傳遞視覺和聽覺信息

a、基于gps的觸覺導航系統的照片，該系統使用了集成在臂章中的觸覺接口。

b、基于智能手機的gps導航應用程序的步行路線圖像。

c、根據b所示的導航應用程序估計的時間，以及以觸覺反饋為指令，在沒有任何音頻或視頻輸入的情況下到達目的地的實際測量時間。

d、將音樂轉換為觸覺表現的過程示意圖。

e、對聲音頻率和分貝水平的實時分析結果。

圖6 以觸覺界面作為反饋控制機械手的感官替代

a|、感覺置換過程的照片和示意圖。

b、顯示假手指上壓力傳感器的位置。

c、30個壓力傳感器在觸覺界面上執行器示意圖。

d、100個用振動模式識別手指刺激的盲知覺測試的混淆矩陣結果。

e、假肢手抓住蛋殼與上臂的觸覺反饋。

f、假肢傳感器記錄的壓力空間分布。

【成果啟示】

研究報告了一種模塊化皮膚集成觸覺接口系統，支持實時、高分辨率操作，基于來自一系列來源的控制信號，包括直接GUI輸入和無線傳感器網絡。該方法有可能在幾乎所有解剖部位的密度達到或超過兩點辨別閾值時提供全身覆蓋。平臺對手和手指的觸覺接口界面的技術協整可以為感官體驗提供額外的機會。進一步的研究可以擴展與皮膚的相互作用模式，包括剪切和表面振動、靜態位移甚至加熱和冷卻模式的獨立驅動。這種方法可以在包括虛擬、增強和混合現實在內的許多新興應用中形成一個基于觸覺的信息通道的起點，為所謂的元世界和高級人機界面提供一個潛在的組件。

文獻鏈接：

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

DOI: 10.1038/s41928-022-00765-3