斯坦福大学等多校提出可感知图案化触觉反馈Haptiknit

摘要：触觉对于行走、做饭和打字等日常任务至关重要，是人类与世界互动的重要组成部分。在人与人的社交互动中，触觉反馈也扮演着传递情绪与感受的独特角色，是愤怒、恐惧、爱意及感激等情感的直接沟通桥梁。

触觉对于行走、做饭和打字等日常任务至关重要，是人类与世界互动的重要组成部分。在人与人的社交互动中，触觉反馈也扮演着传递情绪与感受的独特角色，是愤怒、恐惧、爱意及感激等情感的直接沟通桥梁。

人类的触觉感知源自不同皮肤机械感受器信号的整合，每种感受器都专门对特定刺激作出反应。可穿戴触觉设备通过刺激这些机械感受器，可以模拟并增强人工触觉交互体验，从而传达细腻且真实的触觉信息。这类设备不仅能提供具体指导，还能传递抽象的情绪或心境信息，甚至在多任务处理环境中作为额外的输入源。

然而，传统触觉设备因依赖刚性致动器和笨重的供电系统，在可穿戴性上受到限制。市面上的智能手机和智能手表等产品，虽已融入触觉反馈功能，但主要依赖电磁执行器的振动反馈，受限于尺寸、重量及功耗，难以实现精确的触觉定位，也无法真实模拟缓慢变化的触觉交互。

受软体机器人领域的启发，一种替代性的移动触摸交互方法为触觉交互带来了新启示。气动执行器凭借其能产生准静态位移、剪切及压缩的能力，以及快速达到较高作用力的特性，成为新的研究热点。它们与皮肤的贴合度和舒适度接近，但纯软材料的应用也面临挑战：难以在保持舒适的同时，提供足够的力量和感觉反馈。为此，多数气动触觉设计采用大型分布式驱动系统，以产生广泛的压缩和拉伸感，但这又带来了硬件笨重且刚性的问题。

▍提出图案化触觉反馈Haptiknit

针对上述难题，来自斯坦福大学CHARM实验室、麻省理工学院自组装实验室及休斯顿大学智能物质结构实验室的研究团队展开合作，提出了一种创新方案——Haptiknit，即利用分布式刚度编织技术实现可感知的图案化触觉反馈。

研究团队选用了可传输40牛顿的力，响应频率达14.5赫兹的气动致动器，并将其集成到高刚度和低刚度的机器针织层中。高刚度外层负责稳定驱动力，而低刚度内层则负责将负载柔和地传递给皮肤。研究团队通过一款可调节的触觉袖套展示了这一概念，该触觉袖套连接至一个灵活的气动控制系统，能够模拟多种社交触摸信号。

为了评估触觉袖套在辨别和情感触摸方面的性能，研究团队进行了三项用户测试，并与电磁驱动方法进行了对比。结果显示，相较于振动触觉刺激，Haptiknit显著提升了触摸定位的准确性，并且在使用更少致动器的情况下，就能有效传达社交触摸提示。与音圈阵列相比，Haptiknit在识别社交触摸手势方面表现相当，但其设计更为便携且舒适。

此外，Haptiknit套管还能通过调整执行器的充气时间和模式，来模拟不同的社交触摸手势，这为远程操作、导航等领域提供了新的应用前景。

目前，该研究成果的相关论文已以“Haptiknit: Distributed stiffness knitting for wearable haptics”为题发表在《Science Robotics》杂志上。那么Haptiknit 究竟是如何具体实现这一创新的呢？接下来和机器人大讲堂一起深入了解~

▍可穿戴针织触觉袖套构成与制作

研究团队提出的可穿戴针织触觉袖套通过精妙的设计与先进的制造技术，实现了舒适性、触觉反馈可辨别性与便携性的完美结合。

具体来说，触觉袖套原型主要由套管、执行器和空气供应系统三大组件构成。每个组件都经过精心设计，以确保最佳的使用体验。

在材料选择上，研究团队通过结合不同的纱线类型和针脚结构以及热处理工艺，对织物硬度进行了整理，并成功在针织袖套中区分出了触觉反馈区与惰性区。低硬度区域采用弹性纱线（织物A、B和C）编织，而高硬度区域则通过热定型特定区域和热塑性纤维（织物D）制成，这种设计使得执行器的力能够更有效地传递到皮肤上，同时适应各种手臂尺寸。

针织套管采用双层结构，内层与皮肤直接接触，外层则用于布置执行器和管道。这两层各自又由三个子层组成，每个子层都精心布局了高刚度区域和低刚度区域。低刚度织物区域（A、B和C）在设计中扮演了多重角色：织物A区域与执行器的充气区域相接触，通过气动力实现膨胀和收缩；织物B区域则便于将软管从执行器布线到空气供应系统；而织物C区域则位于每个执行器之间，使整个系统能够灵活弯曲、扭曲，并适应不同用户的体形。这一设计仅通过修改针织拓扑结构即可实现，无需更换纱线。

高刚度区域（织物D）的排列旨在保持材料的圆周连续性，将驱动力集中在可变形区域，并将组件稳固地约束在身体上。研究团队在织物D与织物E、F之间进行了权衡，最终选择了织物D，因为它在力传输和用户舒适度之间取得了最佳平衡。

为了确保袖套与不同手臂形状的紧密贴合，袖子上配备了Velcro绑带。这些绑带的尺寸设计考虑了女性前臂周长的第5个百分点（最小尺寸）和男性前臂周长的第95个百分点（最大尺寸），确保每个执行器区域都可以单独收紧。Velcro绑带的放置不仅支持手臂周围的刚性连续性，还便于用户穿戴和脱下。

在执行器方面，研究团队利用3D打印技术制作了定制形状的软执行器。这些执行器以2×4的网格形式放置在前臂背侧，尺寸和布局都与先前研究中的袖子相匹配，从而能够在用户研究中复用已有的社交触摸手势模式。每个执行器都可以单独寻址，为提供精确的触觉反馈提供了可能。

为了确定最佳材料类型和执行器厚度，研究团队对两种条件下的力响应进行了表征。他们测试了不同材料和壁厚的执行器变体，并最终选择了Elastic 50A材料且壁厚为2毫米的执行器。这种配置在标准系统压力下能够实现稳定的力传递，同时考虑了舒适性和安全性。此外，研究团队还对最终执行器配置的频率响应和带宽进行了评估。结果表明，执行器能够在高于人类意志运动带宽的频率下变化力，从而引发自然的触觉感知。

便携性一直被视为衡量可穿戴设备移动潜力的关键指标。在便携性方面，研究团队在Shtarbanov推出的开源微型气动供应系统FlowIO的基础上进一步开发了定制版微型气动供应系统本AirPort 1.0。该系统重量仅为440克，却能够提供双稳态空气供应。这一特性使得每个端口都能在正压泵充气通道与真空泵放气通道之间自由切换，从而实现了四种不同的状态：充气、保持压力、真空放气以及环境压力。这种灵活多变的端口状态为可穿戴设备的多样化应用提供了坚实基础。与其他便携式气动系统相比，AirPort 1.0在性能上毫不逊色，甚至在端口、重量等方面更具优势。

▍三大用户使用研究测试，验证新型触觉套管潜力

为了评估触觉袖套在辨别和情感触摸方面的性能，研究团队进行了一项由32名参与者参与的三部分用户研究测试。

测试在三种不同场景中，对采用音圈马达和/或振动马达的触觉套管，以及新型触觉套管进行了对比测试。整个研究包括最大压力校准、三项核心测试和实验后评估，旨在全面评估新型触觉套管的性能与用户体验。

执行器定位精度测试

研究首先评估了执行器定位精度，以验证新型触觉套管在前臂上创建触觉显示的可行性。通过随机顺序将每个执行器充气至校准的最大压力，并要求参与者猜测哪个执行器已充气，从而评估其定位能力。结果显示，整体实验的准确率为69%，远超随机猜测的12.5%概率。特别地，前臂内侧的执行器定位准确率高达76%，外侧为63%。这表明，新型触觉套管的执行器布局设计有助于用户准确辨别触觉信息。

抚摸方式感知测试

为了模拟抚摸感觉，研究团队给执行器充气，并按顺序播放九种不同的抚摸模式。参与者需评估这些模式的连续性和愉悦度。结果显示，当延迟保持不变时，随着充气持续时间的增加，连续性评级降低；而当持续时间保持不变时，随着延迟的增加，连续性评级也降低。同时，所有抚摸模式的愉悦度评级均大于或等于零，其中充气时间最短、延迟最大的模式被认为是最愉悦的。这一发现为优化触觉套管的抚摸模式提供了有力依据。

社交触摸手势识别测试

第三项测试测量了用户对六种常见社交触摸手势的识别能力。这些手势包括关注、感激、快乐、平静、爱和悲伤。结果显示，总分类准确率为36%，是偶然率的2.2倍。其中，注意和幸福手势的正确猜测率最高，而平静和爱的手势则表现出更高的困惑程度。尽管如此，参与者对每种手势的感知效价、唤醒度和真实性进行了评分，为进一步优化触觉套管的社交触摸功能提供了宝贵数据。

实验后评估与讨论

实验结束后，参与者对触觉套管的穿戴难易程度、舒适度和美观度进行了评估。结果显示，穿戴方便性中值为9，舒适性中值为8，美观性中值为7。参与者普遍认为，触觉套管易于穿戴、舒适且美观。在实验后的讨论中，参与者强调了动作频率、施加力量和手臂上动作位置在评估社交接触时的重要性。