2位院士领衔！美国西北大学、西湖大学、大连理工合作，最新Nature，折纸启发，可穿戴设备新突破！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-11-07 07:27

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新型可穿戴设备，更逼真的感官体验

想象一下，你可以与远在地球另一端的亲人“手牵手”，或是在《堡垒之夜》（Fortnite）游戏中，感受到队友的轻轻拍肩。这种科幻般的体验在2019年变成了现实。西北大学的John A. Rogers院士团队开发了一种轻薄无线的系统，让虚拟现实（VR）不再只是视觉和听觉的盛宴，还加入了真实的触觉。这个被称为“表皮VR”的系统，将微型振动器阵列嵌入到柔软而灵活的薄片中，通过快速而精确的振动来传达触摸。设备的设计巧妙，15厘米见方的片状原型可以舒适地贴合在皮肤上，不需要笨重的电池或电线支撑，真正做到轻便无感。无论是远距离恋人间的触碰、虚拟娱乐中沉浸感的提升，还是假肢使用者感知世界的需求，这项技术都能带来全新的体验。更重要的是，“表皮VR”还为远程医疗注入了人性化的温度，使医生可以在千里之外为病人传达触感的关怀。这一突破性的成果发表在《Nature》上，为人类的触觉体验打开了新的篇章。

今日，美国西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士联合西湖大学姜汉卿教授、大连理工大学解兆谦教授受到折纸启发，提出了一种微型机电结构，与皮肤结合后，能够利用其弹性储能特性，实现双稳态的自感知变形模式。该触觉单元针对特定类别的机械感受器作为独特的、程序化的感觉反应的基础，可以以法向力或剪切力的形式传递动态和静态刺激。系统的实验和理论研究为跨越人体皮肤机械特性的自然解剖变化的低能量操作建立了基本原理和实践标准。无线、贴合皮肤的触觉界面集成了一系列双稳态传感器，作为高密度通道，能够渲染来自智能手机的 3D 扫描和惯性传感器的输入。该系统的演示包括旨在改善视觉和本体感觉障碍患者的生活质量的感觉替代。相关成果以“Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution”为题发表在《Nature》上。Matthew T. Flavin, Kyoung-Ho Ha, Zengrong Guo, Shupeng Li, Jin-Tae Kim为共同第一作者。

本文提出的无线实时界面可调控这些受体的机械响应曲线，其中小型机械传感器的接合模式和效率超过静电、气动和电磁方法（图1b, c）。该系统集成皮肤为中心的双稳态机械组件，基于电感自感应操作提高效率，使得灵活、轻量的互连阵列成为可能（图1d, e）。演示结果表明，该系统作为触觉替代界面（图1f, g）能提升视觉和本体感觉障碍的感知能力。

图 1：使用电池供电的生物集成双稳态传感器阵列进行多感官反馈

生物弹性、双稳态运行

皮肤储存和释放机械能的能力源自核心、电枢和隔膜三大机械组件（图2a）。核心包含软铁磁线圈，集中磁场并减少单元间干扰。电枢组件中的钕磁体和钛棒则与皮肤连接，通过弹性隔膜（由PDMS和磁性纳米粉末复合而成）围绕结构顶部。传感器通过粘合层固定在皮肤上，调节线束高度以改变电枢压痕深度（图2）。这些组件形成双稳态机制，在皮肤被压缩状态时储存能量，释放后回到松弛状态（图2b）。此过程由磁场极化线圈驱动，无需持续电流。数值建模和皮肤模型评估表明，系统在压缩和松弛状态之间存在稳定的能量最小值，电流极化可瞬时实现状态转换（图2b，图2c和图2d）。在6名测试者的皮肤上成功运行时，传感器需消耗400mA电流，并借助自感应机制适应不同皮肤位置（图2e）。该设备具有较高的能效和优异的位移、力输出，超越了传统静电和电磁设备的性能，且实现了机械优化设计。

图 2：换能器的机械特性以及皮肤在维持双稳态中的作用

双模式振动触觉驱动

皮肤的机械结构在传感器双稳态操作中充当弹簧质量系统，为振动触觉反馈提供基础（图3a）。在松弛状态下，弹簧由皮肤和PDMS-MNP隔膜的弹性组成，并与电枢相互作用。为实现压缩状态下的类似效果，传感器在磁芯和电枢之间加入了弹性盘。施加亚跃迁幅度的交流电会引起电枢振动，产生微扰（图3a-c），且传感器可依其历史偏置至松弛或压缩位置（图3b）。通过3D DIC测量的皮肤模型机械变形显示了不同的振动模式（图3c、d）。在人类测试中，不同频率下松弛和压缩状态下的振动触觉阈值存在差异（图3e）。此外，静态压痕与动态振动的集成使传感器在固定功耗预算内提升了信息传输速率（图3f、g），并优化了0–2 bits/s的能耗。在这一基础上，传感器可独立或同时控制压痕和振动，适应广泛的触觉感知需求，包括SA和RA机械感受器的混合输入。

剪纸结构提供剪切力

人类触觉不仅感知机械刺激的时间模式，还感知施加力的方向（图3h,i）。作者设计了剪纸结构，通过将电枢的法向力转化为平行于皮肤的切向力。该结构基于Kresling图案，由硬质塑料板拼接成六边形薄壁管，能在压缩时变形成支撑梁（图3j,k）。设计中上下平台逆向旋转，由钕磁铁与皮肤耦合，操作时电枢与环结构间产生相反方向的扭转运动。这种结构能提供双稳态和平衡的振动模式。通过3D DIC测量，kirigami传感器实现了圆盘和环间最高达14°的旋转，仅带来0.4mm的法向变形（图3l）。实验显示，参与者随着扭转角度从5°增至15°，感知强度增加，并能清晰区分扭转与压痕模式，准确率达97.5%（图3m）。该多模态设计支持不同感知模式的组合，提供进一步理解剪切力的触觉反馈。

图 3：传感器的振动触觉和剪切力操作

3D扫描实现感官替代

正常和剪切驱动模式依赖与皮肤的机械耦合来支持传感器的双稳态操作（图2e）。图4a、b展示了一种自感知控制策略，通过电感测量，传感器可检测电枢位置（图4c），并反馈松弛或压缩状态（图4d）。闭环系统自感应机制可在传感器转换时恢复皮肤变形能量。蓝牙控制器集成到六边形阵列（图4a,b），并将传感器数据传输至控制系统，同时设计模块化确保结构灵活稳定，适应皮肤敏感。整个系统由500mAh电池供电，支持每秒多次转换，闭环控制下减少能量消耗（图4b）。系统利用IMU和LiDAR实时重建周围环境，并通过蓝牙传感器为佩戴在颈后的触觉设备提供反馈（图4e）。图4f-h展示了该设备如何通过压痕和振动模式满足不同感觉需求。图4f示例中，设备帮助视障用户探测障碍物；图4g通过姿态反馈提升平衡能力；图4h展示了针对步态和足部方向的反馈，帮助用户在闭眼条件下实现精确脚步控制，误差小于10°。

图 4：双稳态传感器阵列的系统级实现

小结

本研究引入的双稳态自感知传感器通过能量恢复机制与皮肤耦合，显著提升触觉操作模式与性能，超越传统方法。这一传感器可形成适合皮肤的可编程阵列，呈现多模式机械刺激，重现 SA 和 RA 类机械感受器的皮肤感觉，并能混合静态和动态变形来协调感官响应。结合紧凑的剪纸结构实现的多方向力控制，使压痕、扭转和振动效果为沉浸式触觉及应用直观性提供了基础。该传感器特别适用于生物医学应用，可通过无线贴合皮肤的触觉界面，实现智能手机的 3D 扫描和惯性测量等感官输入，从而提高视觉、前庭和本体感觉替代任务的表现。

来源：高分子科学前沿

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