Nature Electronics | 触觉与可穿戴技术：弥合数字与物理世界的鸿沟

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元宇宙可以提供一个融合数字和物理现实的沉浸式环境。然而，这将需要适当的触觉反馈和可穿戴技术。12月20日，新加坡国立大学(National University of Singapore) Jiaming Qi，Joo Chuan Yeo & Chwee Teck Lim等，在Nature Electronics上发表综述文章，探索了触觉和可穿戴技术的研究发展，这些技术可以用来弥合数字-物理鸿沟，并建立更加真实和身临其境的虚拟实境。

该综述文章包括触觉技术的机制及可以复制触觉的触觉设备，可以通过集成人工智能提供运动跟踪的可穿戴技术的发展。重点介绍了此类技术在娱乐、商业、教育、培训和医疗保健领域的潜在应用。最后，讨论了该领域面临的道德和技术挑战。

图1 虚拟世界-数字世界-物理世界之间的交互

在虚拟-数字-物理世界之间，需要依靠各种传感器、制动器、XR设备、WIFI传输、动作捕捉以及触觉等。每一个世界的特征信息都依靠这些机制进行互相传输、解析与表达。触觉是其中的重要部分。

图2 触觉和传感技术发展的时间表

自1969年Tactile image到2024年各种不同特点、不同策略重建与表达触觉的器件与系统出现，触觉和传感技术走过了55年时间。

图3 触觉和可穿戴传感技术

电磁平台：如线性谐振和偏心旋转质量执行器用于振动反馈，电磁电机可提供多种触觉刺激，响应快且力和位置控制精确，但体积大、功耗高。
气动平台：利用空气泵和阀门调节气压产生触觉刺激，末端执行器柔软、轻便、高分辨率，适用于可穿戴设备，但体积和噪音问题限制了其便携性。
超声平台：通过调制超声换能器阵列产生可感知的焦点，实现非接触式触觉反馈，不影响皮肤自然触感，但感知强度和范围受能量衰减限制。
机电平台：如压电、介电弹性体和静电执行器，能提供快速可逆的变形刺激，产生触觉反馈，末端执行器轻巧紧凑，但高工作电压存在安全隐患且驱动电子设备小型化困难。
电动平台：基于电渗泵原理，通过电场驱动离子流体形成微泵，可提供高分辨率的触觉刺激，体积小、响应快，但产生的力反馈有限。
形状记忆合金平台：形状记忆合金在温度变化时可恢复形状，适用于可穿戴设备的触觉反馈，灵活性高、无噪音、重量轻，但冷却延迟限制了其应用场景。
电刺激平台：通过皮肤电极直接刺激机械感受器，可实现压力到振动的感觉转变，但需精确校准和监测参数以避免不适。
热反馈平台：包括焦耳热、珀尔帖器件和流体热传递等方法，用于提供温暖或寒冷的感觉，但现有技术存在刚性、体积大或延迟等问题。

图4 虚拟世界中，触觉和可穿戴设备的应用

触觉和可穿戴设备的应用包括在社交媒体的交流中增加触觉交互，拓展原有视频语音交流的信息维度；在织物纹理渲染方面，可通过触觉将织物纹理数字化并通过触觉信息进行表达；触觉装置结合VR设备可用于示教及教学，提高学习效率，缩短培训时间；在人体运动方面，触觉和可穿戴设备的结合可以引导参与者完成特定动作，这包括一些正在康复周期的患者进行使用；结合VR的医学训练可以为初学者创造身临其境的环境，大大加快培训速度；VR+触觉设备在手术中的应用颠覆了传统手术室，当医生可以“透视”患者时，病灶的定位及手术规划便变得简单。