摘要：触觉是我们感知物理环境的重要方式，它帮助我们识别物体、操作物品并加强社交互动。触觉来自皮肤中的机械感受器，这些感受器广泛分布在皮肤的各个区域，通过神经纤维的末端传递刺激信号。最近的研究集中在开发能够快速、可编程地产生触觉感觉的系统，这些系统能够通过薄型、灵活的

新型可穿戴设备模仿人类触摸的复杂性

触觉是我们感知物理环境的重要方式，它帮助我们识别物体、操作物品并加强社交互动。触觉来自皮肤中的机械感受器，这些感受器广泛分布在皮肤的各个区域，通过神经纤维的末端传递刺激信号。最近的研究集中在开发能够快速、可编程地产生触觉感觉的系统，这些系统能够通过薄型、灵活的设备与皮肤的大面积接触，不仅限于指尖。这些技术结合了视觉和听觉系统，能够在扩展现实（XR）应用中提供沉浸式体验，广泛应用于娱乐、社交、医疗和物理康复等领域。结合传感器和执行器的技术，还能够为远程操作和医疗提供闭环反馈，特别是对于截肢者或视听障碍者，可以补充和增强他们的感官功能。然而，目前一些现有的技术由于设备体积大、质量重、附着位置有限，且难以分布成可编程阵列，难以满足沉浸式XR体验的需求。

在此，美国西北大学John A. Rogers院士团队联合黄永刚院士团队介绍了一种小型执行器技术，可以向皮肤表面施加全方位、可叠加、动态的力，从而刺激单一类别的机械感受器或它们的选定组合。通过这种技术，可以实现高位触觉信息传输和逼真的虚拟触觉体验。通过在人类受试者的感知研究中，展示了在扩展现实应用中的具体效果，包括先进的手部导航、逼真的纹理重现以及音乐感知的感觉替代。相关成果以“Full freedom-of-motion actuators as advanced haptic interfaces”为题发表在《Science》上，第一作者为Kyoung-Ho Ha，Jaeyoung Yoo和Shupeng Li为共同一作。

动作自由执行器

本文介绍了一种无线实时触觉界面技术，能够在皮肤表面生成可编程的变形，具有完全的运动自由度。该技术通过使用一组可单独控制的线圈来产生磁场，以满足皮肤上所有受体的激活需求。每个执行器利用洛伦兹力与固定磁铁的相互作用来操作，这些磁铁与皮肤接触，从而实现触觉刺激（图1A）。这种方法可以产生正常、剪切、扭转和振动等不同类型的机械刺激，激活皮肤上的不同类型的机械感受器，达到高精度的触觉反馈。通过这种技术，作者能够在不影响皮肤的情况下，针对每种受体进行精确的刺激。执行器设计包括多个不同尺寸的线圈和传感器，利用磁场和电流的变化来控制刺激的方向和强度（图1B）。此外，整个系统通过蓝牙低功耗电子系统和可充电电池实现无线连接，使得该触觉系统能够与便携式XR设备（如智能眼镜、虚拟现实头盔和智能手机）进行协调操作（图1D、E）。

图1：具有完整的FOM执行器的多感官触觉接口

设计原理和特征

为了实现更小型化的高效能执行器设计，需要精确考虑力的方向、大小和位移，确保可靠的人体感知（图2A）。作者通过实验验证了一个参数化分析模型，该模型计算了包括电流、磁铁类型、线圈填充系数和线径等变量的无量纲力和功率效率指标。剪切力和扭转力是通过剪切-x和剪切-y线圈及其协调工作产生的，线圈长度与磁铁长度相等时，剪切力达到最大值（图2A）。此外，通过精确调控电流和线圈与磁铁之间的间隙，能够在不同频率下生成可感知的动态响应，如振动、剪切和正常力（图2D）。这种FOM执行器不仅能够生成正常力、剪切力，还能同时模拟纹理感知等复杂触觉体验（图2E）。通过32 kHz的高频控制系统，FOM执行器能够精确调节电压，确保高频操作的精度。实验结果表明，FOM执行器能够以非常低的电流值产生可感知的触觉刺激，且性能稳定，不受温湿度和外部负荷的显著影响（图2J）。

图2.通过实验和仿真的多模式执行器的设计策略和特征

人类的感知 - 光的信息转移和编码日常互动

FOM执行器不仅能再现日常触觉体验，还能够通过编程激活皮肤中的机械感受器来传递信息。研究表明，触觉刺激的方向、频率、强度、节奏和位置等参数结合在一起，可以显著增强信息传递（图3A）。通过对10名受试者进行的12种刺激测试，发现平均成功率为88%，能够识别96种刺激，信息传递值为2.8位，这一结果相比其他触觉界面，能够在更少的维度下实现更高的信息传递效率（图3B）。刺激成功率的变化表明，个体差异对识别能力有较大影响（图3C）。此外，FOM执行器阵列能够模拟更真实的感觉，通过多个点的驱动和合适的时序，诱发与皮肤特定区域感受器的集中接收相关的统一感觉（图3D）。对于剪切力的两点辨别阈值（2PDT），在不同身体部位（如指尖、手背和前臂）存在差异，这与皮肤变形的区域大小以及相应感受器的接收范围有关（图3D）。此外，FOM执行器阵列可以重现日常触觉体验，如抚摸、捏合、拉伸、挤压和轻拍等复杂时空刺激（图3G）。实验结果表明，FOM刺激比振动刺激更符合人类的触觉感知（图3H）。

图3：来自FOM执行器的感知

用单个FOM执行器导航手位置

触觉界面能够为视力受限者提供导航或其他输入，作为一种辅助感知系统，不会干扰他们的主要听觉功能。佩戴智能眼镜的人通过背部的FOM执行器引导，成功抓取瓶子和格兰诺拉棒（图4A）。智能眼镜与手机共享视图，手机识别手部和目标物体的位置，并向FOM执行器发送命令。当视觉数据包括深度信息时，导航系统能提供更详细的指导。根据手的位置，相同的命令会产生不同的触觉刺激，作为感知参考坐标。例如，命令将手向上移动时，对于中立手势，会产生x方向的正触觉刺激，而对于掌心朝下的手则转化为z方向的刺激（图4B）。执行器中的IMU测量重力加速度，判断手的姿势并发出相应的命令（图4C）。通过这种触觉导航，个体成功地定位了瓶子和格兰诺拉棒。FOM执行器能够再现指尖的真实纹理感知，利用IMU提供的手指运动方向和速度信息（图4D）。通过摩擦系数和施加的正向力，FOM执行器在指尖表面生成剪切力和振动频率，从而重现纹理感知（图4E和图4F）。在实验中，受试者能够在虚拟的垂直和水平抚摸模式下，96%的成功率区分六种不同的表面（图4G和图4H）。

图4：由FOM执行器启用的手动导航系统和复制现实的纹理感觉

通过触觉界面体验音乐

触觉界面作为一种替代感知系统，不仅为听力受损者提供了体验音乐的机会，还能增强没有听力障碍者的音乐体验（图5A）。FOM执行器平台可以将声音波的频率和强度转化为触觉振动力，进行适当的控制。挑战之一是再现音色差异，尽管频率相同，不同乐器的音色不同。FOM执行器通过方向控制，能够产生不同音质的振动，这是传统执行器无法做到的。该技术可以使单个FOM执行器再现不同乐器的音乐（图5B）。具体过程包括使用机器学习算法分离乐器和人声组件，分析其频率和强度，并将这些信息转化为触觉振动。在示例中，音乐中的人声、电吉他和鼓被转化为触觉振动，测试结果表明，触觉界面能够通过单个执行器感知到不同音调的振动，并识别不同乐器（图5C）。

图5：替代感：音乐的触觉感知

小结

本文介绍的微型化皮肤集成触觉执行器平台，能够提供全方位、可叠加的静态和动态力量，精确刺激皮肤上的不同机械感受器，适应未来沉浸式XR体验。通过无线、实时操作，单个或多个执行器能在不同部位高效地产生各种触觉感受。这项技术相比传统触觉界面，能够传输更多触觉信息，并提供更真实的虚拟触觉体验。人体感知测试和实际应用案例展示了该技术在视障导航、纹理感知和音乐感知替代等方面的潜力。未来的研究可能会进一步减小执行器尺寸，提升触觉界面的密度和可贴合性。

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来源：我就这样咋地了