Science | 完全运动自由度的执行器作为高级触觉接口

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美国西北大学John A. Rogers院士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。

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。

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 FOM 执行器的多感觉触觉接口

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。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2A）。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2B）。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2C）。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2D）。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2E和图2F）。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2G和图2H）。

图2 FOM 执行器实现的手部导航系统和逼真的纹理感觉的再现

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3A）。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3B）。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3C）。