感知未来：新型可穿戴技术模拟真实触感

如今，西北大学的工程师们公布了一项新技术，该技术能产生精确运动以模拟这些复杂的触觉。

该研究将于3月28日发表在《科学》杂志上。

这款紧凑、轻便、无线的装置附着于皮肤时，可向任意方向施加力以产生多种感觉，包括振动、拉伸、压力、滑动和扭转。该装置还能组合多种感觉，并通过快慢速操作模拟更细腻、逼真的触感。

该装置由小型可充电电池供电，通过蓝牙无线连接虚拟现实头显和智能手机。其体积小巧且高效，可置于身体任何部位，与其他执行器组合成阵列，或集成至现有可穿戴电子设备中。

研究人员设想，该装置最终可增强虚拟体验，帮助视障人士感知周围环境，在平板屏幕上再现网购时的织物质感，为远程医疗提供触觉反馈，甚至能让听障人士"感受"音乐。

"几乎所有触觉执行器都只是戳刺皮肤，"领导设备设计的西北大学约翰·A·罗杰斯表示，"但皮肤能接收更精细的触觉刺激。我们想创造能向任意方向施力的装置——不仅是戳刺，还包括推压、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其组合的作用力，从而以完全可编程方式精细调控复杂触感。"

作为生物电子学先驱，罗杰斯现任路易斯·A·辛普森与金伯利·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芬伯格医学院，同时领导奎里辛普森生物电子研究所。西北大学黄永刚教授（麦考密克工程学院机械工程系雅恩与玛西娅·阿亨巴赫讲席教授、土木与环境工程系教授）为该研究的共同负责人。研究共同第一作者为西北大学的河京浩、柳在英和李舒鹏。

本研究基于罗杰斯与黄永刚实验室前期成果，此前他们设计了可编程微型振动执行器阵列来传递触觉。

触觉技术瓶颈

近年来，视觉与听觉技术呈爆发式增长，通过高保真环绕声音响和全景虚拟现实眼镜等设备实现前所未有的沉浸体验。然而触觉技术大多停滞不前，即使尖端系统也只能提供振动模式的嗡嗡感。

该发展差距主要源于人类触觉的极端复杂性。触觉涉及多种机械感受器（即传感器）——各自具有不同的敏感度与响应特性——分布于皮肤不同深度。当这些机械感受器受刺激时，会向大脑传递被解读为触觉的信号。

复现这种精细度与微妙性需要精确控制施加于皮肤的刺激类型、强度及时序。这构成巨大挑战，现有技术始终难以攻克。

"触觉技术落后于视听技术丰富性和真实性的部分原因，在于皮肤形变机制的复杂性，"触觉先驱、研究合著者西北大学J·爱德华·科尔盖特表示，"皮肤可被按压或侧向拉伸。拉伸可快可慢，还能在整个表面（如整个手掌）形成复杂模式。"

执行器的突破

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。这意味着执行器不受限于单一运动类型或有限动作组合，而能沿皮肤向任意方向移动施力。这些动态力可单独或组合激活皮肤中所有机械感受器。

"这是管理触觉复杂性的重大进步，"麦考密克工程学院沃尔特·P·墨菲机械工程讲席教授科尔盖特强调，"FOM执行器是首款能按压或拉伸皮肤、快慢速运行且可阵列化的小型紧凑触觉装置，因此能产生惊人的触感多样性。"

该装置尺寸仅数毫米，采用嵌套式微型磁体与线圈组。电流流经线圈产生磁场，与磁体相互作用后形成足以移动、推拉或扭转磁体的强力。通过执行器阵列组合，可重现捏、拉、挤、拍等触感。

"实现紧凑设计与强力输出至关重要，"领导理论研究的黄永刚指出，"团队开发计算与分析模型以确定最优设计，确保每种模式产生最大分力，同时最小化无用力或扭矩。"

赋予虚拟世界生命力

装置另一侧搭载加速度计，可实时感知空间方位。基于此信息，系统能根据用户场景提供触觉反馈。例如当执行器置于手部时，加速度计可检测手心朝向；还能追踪执行器运动状态，提供速度、加速度及旋转数据。

罗杰斯表示该运动追踪功能在空间导航或触摸平面屏幕不同纹理时尤为关键。

"指尖滑过丝绸时摩擦力较小，滑动速度会快于灯芯绒或麻布，"他解释道，"想象在线选购衣物或布料时想要感受纹理。"

除复现日常触觉体验外，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频率、强度与节奏将音乐声波转化为实体触感，甚至仅通过改变振动方向即可改变音调。用户通过感知振动可区分不同乐器。

"我们成功分解音乐所有特征并将其映射至触觉感受，同时保留特定乐器的微妙信息，"罗杰斯阐述，"这只是触觉辅助其他感官体验的例证之一。我们相信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，数字交互将更自然生动。"

研究标题为《全自由度运动执行器作为先进触觉交互界面》。