美國西北大學(xué)John A. Rogers院士聯(lián)合黃永剛院士團(tuán)隊(duì)介紹了一種小型執(zhí)行器技術(shù)，可以向皮膚表面施加全方位、可疊加、動(dòng)態(tài)的力，從而刺激單一類別的機(jī)械感受器或它們的選定組合。通過這種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高位觸覺信息傳輸和逼真的虛擬觸覺體驗(yàn)。通過在人類受試者的感知研究中，展示了在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的具體效果，包括先進(jìn)的手部導(dǎo)航、逼真的紋理重現(xiàn)以及音樂感知的感覺替代。

觸覺是我們感知物理環(huán)境的重要方式，它幫助我們識別物體、操作物品并加強(qiáng)社交互動(dòng)。觸覺來自皮膚中的機(jī)械感受器，這些感受器廣泛分布在皮膚的各個(gè)區(qū)域，通過神經(jīng)纖維的末端傳遞刺激信號。最近的研究集中在開發(fā)能夠快速、可編程地產(chǎn)生觸覺感覺的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠通過薄型、靈活的設(shè)備與皮膚的大面積接觸，不僅限于指尖。這些技術(shù)結(jié)合了視覺和聽覺系統(tǒng)，能夠在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）應(yīng)用中提供沉浸式體驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于娛樂、社交、醫(yī)療和物理康復(fù)等領(lǐng)域。結(jié)合傳感器和執(zhí)行器的技術(shù)，還能夠?yàn)檫h(yuǎn)程操作和醫(yī)療提供閉環(huán)反饋，特別是對于截肢者或視聽障礙者，可以補(bǔ)充和增強(qiáng)他們的感官功能。然而，目前一些現(xiàn)有的技術(shù)由于設(shè)備體積大、質(zhì)量重、附著位置有限，且難以分布成可編程陣列，難以滿足沉浸式XR體驗(yàn)的需求。

本文介紹了一種無線實(shí)時(shí)觸覺界面技術(shù)，能夠在皮膚表面生成可編程的變形，具有完全的運(yùn)動(dòng)自由度。該技術(shù)通過使用一組可單獨(dú)控制的線圈來產(chǎn)生磁場，以滿足皮膚上所有受體的激活需求。每個(gè)執(zhí)行器利用洛倫茲力與固定磁鐵的相互作用來操作，這些磁鐵與皮膚接觸，從而實(shí)現(xiàn)觸覺刺激（圖1A）。這種方法可以產(chǎn)生正常、剪切、扭轉(zhuǎn)和振動(dòng)等不同類型的機(jī)械刺激，激活皮膚上的不同類型的機(jī)械感受器，達(dá)到高精度的觸覺反饋。通過這種技術(shù)，作者能夠在不影響皮膚的情況下，針對每種受體進(jìn)行精確的刺激。執(zhí)行器設(shè)計(jì)包括多個(gè)不同尺寸的線圈和傳感器，利用磁場和電流的變化來控制刺激的方向和強(qiáng)度（圖1B）。此外，整個(gè)系統(tǒng)通過藍(lán)牙低功耗電子系統(tǒng)和可充電電池實(shí)現(xiàn)無線連接，使得該觸覺系統(tǒng)能夠與便攜式XR設(shè)備（如智能眼鏡、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和智能手機(jī)）進(jìn)行協(xié)調(diào)操作（圖1D、E）。

FOM執(zhí)行器不僅能再現(xiàn)日常觸覺體驗(yàn)，還能夠通過編程激活皮膚中的機(jī)械感受器來傳遞信息。研究表明，觸覺刺激的方向、頻率、強(qiáng)度、節(jié)奏和位置等參數(shù)結(jié)合在一起，可以顯著增強(qiáng)信息傳遞。觸覺界面能夠?yàn)橐暳κ芟拚咛峁?dǎo)航或其他輸入，作為一種輔助感知系統(tǒng)，不會(huì)干擾他們的主要聽覺功能。佩戴智能眼鏡的人通過背部的FOM執(zhí)行器引導(dǎo)，成功抓取瓶子和格蘭諾拉棒（圖2A）。智能眼鏡與手機(jī)共享視圖，手機(jī)識別手部和目標(biāo)物體的位置，并向FOM執(zhí)行器發(fā)送命令。當(dāng)視覺數(shù)據(jù)包括深度信息時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)能提供更詳細(xì)的指導(dǎo)。根據(jù)手的位置，相同的命令會(huì)產(chǎn)生不同的觸覺刺激，作為感知參考坐標(biāo)。例如，命令將手向上移動(dòng)時(shí)，對于中立手勢，會(huì)產(chǎn)生x方向的正觸覺刺激，而對于掌心朝下的手則轉(zhuǎn)化為z方向的刺激（圖2B）。執(zhí)行器中的IMU測量重力加速度，判斷手的姿勢并發(fā)出相應(yīng)的命令（圖2C）。通過這種觸覺導(dǎo)航，個(gè)體成功地定位了瓶子和格蘭諾拉棒。FOM執(zhí)行器能夠再現(xiàn)指尖的真實(shí)紋理感知，利用IMU提供的手指運(yùn)動(dòng)方向和速度信息（圖2D）。通過摩擦系數(shù)和施加的正向力，F(xiàn)OM執(zhí)行器在指尖表面生成剪切力和振動(dòng)頻率，從而重現(xiàn)紋理感知（圖2E和圖2F）。在實(shí)驗(yàn)中，受試者能夠在虛擬的垂直和水平撫摸模式下，96%的成功率區(qū)分六種不同的表面（圖2G和圖2H）。

圖1 具有完整 FOM 執(zhí)行器的多感覺觸覺接口

圖2 FOM 執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)的手部導(dǎo)航系統(tǒng)和逼真的紋理感覺的再現(xiàn)

觸覺界面作為一種替代感知系統(tǒng)，不僅為聽力受損者提供了體驗(yàn)音樂的機(jī)會(huì)，還能增強(qiáng)沒有聽力障礙者的音樂體驗(yàn)（圖3A）。FOM執(zhí)行器平臺可以將聲音波的頻率和強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為觸覺振動(dòng)力，進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｌ魬?zhàn)之一是再現(xiàn)音色差異，盡管頻率相同，不同樂器的音色不同。FOM執(zhí)行器通過方向控制，能夠產(chǎn)生不同音質(zhì)的振動(dòng)，這是傳統(tǒng)執(zhí)行器無法做到的。該技術(shù)可以使單個(gè)FOM執(zhí)行器再現(xiàn)不同樂器的音樂（圖3B）。具體過程包括使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分離樂器和人聲組件，分析其頻率和強(qiáng)度，并將這些信息轉(zhuǎn)化為觸覺振動(dòng)。在示例中，音樂中的人聲、電吉他和鼓被轉(zhuǎn)化為觸覺振動(dòng)，測試結(jié)果表明，觸覺界面能夠通過單個(gè)執(zhí)行器感知到不同音調(diào)的振動(dòng)，并識別不同樂器（圖3C）。

圖3 替代感知：音樂的觸覺感知