感受未来：新型可穿戴技术模拟真实触感

如今，西北大学的工程师们展示了一项新技术，它能通过精准的运动来模拟这些复杂的触感。

该研究将于3月28日发表在科学杂志上。

这种紧凑、轻量、无线的设备在置于皮肤表面时，能在任意方向施加力，产生多种触感，包括振动、拉伸、压力、滑动和扭转。该设备还能组合不同触感，并以快慢不同的速度运行，从而模拟出更细腻、真实的触觉。

设备由小型可充电电池供电，并通过蓝牙与虚拟现实头显及智能手机无线连接。其体积小、效率高，因此可置于身体的任何部位，与其他执行器组合成阵列使用，或集成到现有可穿戴电子产品中。

研究人员设想，该设备最终可用于增强虚拟体验，帮助视障人士感知周围环境，在网购时为平面屏幕再现不同纹理的触感，为远程医疗问诊提供触觉反馈，甚至能让听障人士"感受"音乐。

"几乎所有触觉执行器本质上只是戳刺皮肤，"领导设备设计的西北大学约翰·A·罗杰斯表示，"但皮肤能感知远比这更精细的触觉。我们想创造一种能在任意方向施力的设备——不仅是戳刺，还能推压、扭转和滑动。我们构建了微型执行器，可向皮肤施加任意方向及任意组合方向的推力。藉此，我们得以通过完全可编程的方式精细调控复杂的触觉。"

作为生物电子学先驱，罗杰斯担任路易斯·A·辛普森和金伯利·奎里材料科学与工程、生物医学工程及神经外科教授，任职于麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院。他还领导奎里辛普森生物电子学研究所。罗杰斯与西北大学机械工程系简和马西亚·阿亨巴赫讲座教授、麦考密克学院土木与环境工程系教授黄永刚共同指导了这项工作。西北大学的河庆浩、柳在荣和李树鹏是该研究的共同第一作者。

该研究建立在罗杰斯和黄永刚实验室先前工作的基础上，当时他们设计了可传达触觉的可编程微型振动执行器阵列。

触觉技术的瓶颈

近年来，视觉与听觉技术经历了爆发式增长，通过高保真沉浸式环绕声音响和全沉浸虚拟现实眼镜等设备实现了前所未有的临场感。然而触觉技术发展却大多停滞不前。即便最先进的系统也只能提供振动模式的嗡嗡感。

这种发展差距主要源于人类触觉的极端复杂性。触觉涉及多种位于皮肤不同深度的机械感受器（或称传感器）——每种感受器具有独特的灵敏度和响应特性。当这些机械感受器受刺激时，会向大脑发送信号并被解读为触感。

要复制这种复杂性与细腻度，需要精准控制施加于皮肤的刺激类型、强度及时间。这带来了巨大挑战，现有技术始终难以克服。

"触觉技术在丰富性和真实感方面落后于视频与音频，部分原因在于皮肤变形力学特性的复杂性，"西北大学触觉先驱、研究合著者爱德华·J·科尔盖特表示，"皮肤可被向内戳压或横向拉伸。皮肤拉伸可快可慢，且能以复杂模式作用于整个表面，例如整个手掌。"

释放执行器潜力

为模拟这种复杂性，西北大学团队开发出首款具备全自由度运动（FOM）的执行器。这意味着该执行器不受限于单一运动类型或有限动作组合，而是能沿皮肤表面进行全方位移动与施力。这些动态力可单独或协同激活皮肤中所有机械感受器。

"这是迈向掌控复杂触觉的重要一步，"麦考密克学院沃尔特·P·墨菲机械工程教授科尔盖特表示，"FOM执行器是首款小型紧凑型触觉设备，既能戳压或拉伸皮肤，又可快慢速运行，且适用于阵列组合。因此它可产生异常丰富的触感体验。"

该设备尺寸仅为数毫米，采用嵌套布局的微型磁体与线圈组。当电流流经线圈时产生磁场，该磁场与磁体相互作用形成足以移动、推压、牵拉或扭转磁体的力量。通过将执行器组合成阵列，可再现捏掐、拉伸、挤压和轻拍等触感。

"实现紧凑设计与强劲力输出至关重要，"主导理论研究的黄永刚强调，"团队开发了计算与解析模型以确定最优设计方案，确保每种模式都能产生最大分力，同时最大限度减少非目标力或扭矩。"

赋予虚拟世界生命

在设备另一侧，团队增加了加速度计以感知空间方位。基于此信息，系统可根据用户情境提供触觉反馈。例如若执行器置于手上，加速度计可检测手掌朝上或朝下状态，同时追踪执行器运动轨迹，提供速度、加速度及旋转信息。

罗杰斯指出，在空间导航或触摸平面屏幕不同纹理时，该运动追踪功能尤为有用。

"若用指尖划过丝绸，其摩擦力小于灯芯绒或麻布，滑动速度更快，"他解释道，"想象在线选购衣物或面料时想要感受纹理。"

除复现日常触感体验外，该平台还能通过皮肤传递信息。例如团队通过改变触觉反馈的频率、强度和节奏，将音乐声波转化为实体触感。他们还能仅通过改变振动方向来转换音调。感知这些振动可让用户区分不同乐器。

"我们成功解析了音乐的所有特征，并将其映射为触觉感受而不丢失特定乐器的微妙信息，"罗杰斯表示，"这只是触觉可用于补充其他感官体验的例证之一。我们认为该系统能进一步弥合数字与物理世界的鸿沟。通过增添真实触感，数字交互将更具自然感和沉浸感。"

研究标题为《全自由度运动执行器：先进的触觉接口》。