感知未来：新型可穿戴设备模拟逼真触感

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

该研究将于3月28日发表在《科学》（Science）期刊上。

这款紧凑、轻量、无线的设备置于皮肤表面时，可在任意方向施加力，产生包括振动、拉伸、压力、滑动和扭转在内的多种感觉。该设备还能组合不同感觉，并通过快速或慢速运作来模拟更细腻、真实的触感。

设备由小型可充电电池供电，通过蓝牙与虚拟现实头显和智能手机无线连接。其小巧高效的设计使其可置于身体任何部位，与其他驱动器阵列组合使用，或集成到现有可穿戴电子设备中。

研究人员设想其设备最终可增强虚拟体验，帮助视障人士导航周围环境，在平面屏幕上再现不同纹理质感用于在线购物，为远程医疗问诊提供触觉反馈，甚至让听障人士"感受"音乐。

"几乎所有触觉驱动器实质上只是在戳刺皮肤，"领导设备设计的西北大学John A. Rogers表示，"但皮肤能感知更复杂的触感。我们想创造能在任意方向施力的设备——不仅是戳刺，还能推动、扭转和滑动。我们构建了微型驱动器，可向任意方向及组合方向推动皮肤。通过它，我们能以完全可编程的方式精细控制复杂的触感。"

作为生物电子学先驱，Rogers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芬伯格医学院。他还领导奎里辛普森生物电子研究所。西北大学Yonggang Huang（麦考密克工程学院机械工程Jan and Marcia Achenbach讲席教授、土木与环境工程教授）共同领导这项工作。西北大学的Kyoung-Ho Ha、Jaeyoung Yoo和Shupeng Li是该研究的共同第一作者。

该研究基于Rogers和Huang实验室的先前工作，他们曾设计可编程微型振动驱动器阵列来传递触感。

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，通过高保真度沉浸式环绕声音响和全沉浸虚拟现实护目镜等设备提供了前所未有的沉浸感。然而触觉技术大多陷入停滞，即使最先进的系统也只能提供振动模式。

这种发展差距主要源于人类触觉的极端复杂性。触觉涉及位于皮肤不同深度的多种机械感受器（或称传感器）——每种感受器具有独特的敏感度和响应特性。当这些机械感受器受到刺激时，会向大脑发送信号，大脑将其解读为触觉。

复制这种复杂性和细腻度需要对施加于皮肤的刺激类型、幅度和时序进行精确控制。这构成了巨大挑战，现有技术难以应对且尚未克服。

"触觉技术在丰富性和真实感上落后于视频和音频的部分原因，在于皮肤变形的力学机制非常复杂，"西北大学触觉先驱、研究合著者J. Edward Colgate表示，"皮肤可被向内戳压或横向拉伸。拉伸可慢可快，并能以复杂模式作用于完整表面，例如整个手掌。"

驱动器的突破

为模拟这种复杂性，西北大学团队开发出首个具备全自由度运动（FOM）的驱动器。这意味着驱动器不受限于单一运动类型或有限动作组合，而是能沿皮肤进行全方位移动和施力。这些动态力可单独或组合调动皮肤中的所有机械感受器。

"这是驾驭复杂触觉感知的重大进步，"麦考密克学院Walter P. Murphy机械工程讲席教授Colgate表示，"FOM驱动器是首款小巧紧凑、能戳刺或拉伸皮肤、可快慢速运作并用于阵列的触觉设备。因此它能产生惊人的触感多样性。"

该设备仅数毫米大小，采用微型磁体和嵌套排列的线圈组。当电流流经线圈时产生磁场，该磁场与磁体相互作用生成足以移动、推动、拉动或扭转磁体的强力。通过将驱动器组合成阵列，可再现捏夹、拉伸、挤压和轻拍等感觉。

"实现紧凑设计与强大出力至关重要，"领导理论研究的Huang表示，"我们团队开发了计算和分析模型来确定最优设计，确保每种模式产生最大分力，同时最小化非预期力或扭矩。"

赋予虚拟世界真实触感

在设备另一端，团队增加了加速度计以感知空间朝向。借此系统可基于用户情境提供触觉反馈。例如若驱动器置于手上，加速度计能检测用户手心向上或向下。它还能追踪驱动器运动，提供速度、加速度和旋转信息。

Rogers指出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其有用。

"若手指滑过丝绸，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感受材质。"

除复制日常触感外，该平台还能通过皮肤传递信息。例如通过改变触觉反馈的频率、强度和节奏，团队将音乐声音转化为物理触感。他们仅通过改变振动方向就能转换音调，感受这些振动可使用户区分不同乐器。

"我们成功分解音乐所有特征并映射为触觉感受，且未丢失特定乐器的微妙信息，"Rogers表示，"这只是触觉如何补充其他感官体验的例证。我们认为该系统能进一步弥合数字与物理世界的鸿沟。通过增添真实的触感，数字交互可更自然、更富吸引力。"

研究标题为《作为先进触觉接口的全自由度运动驱动器》（"Full freedom-of-motion actuators as advanced haptic interfaces"）。