一种完全集成的可呼吸触觉纺织品（香港城市大学于欣格教授、香港理工大学郑子剑教授团队）

现有技术缺点：

1. 目前的可穿戴触觉设备在增强反馈效果时，往往牺牲透气性、舒适性和生物相容性，难以解决出汗引起的反馈不准确、舒适性下降和卫生问题。

2. 许多触觉设备设计笨重，覆盖面积有限，无法提供高空间分辨率的触觉反馈。

3. 缺乏透气性设计，容易导致皮肤在出汗情况下出现操作不稳定的现象，影响用户体验。

文章亮点：

1. 作者开发了一种完全集成的透气触觉纺织品（FIBHT），具有超柔软、可拉伸、透气和生物相容的特点，解决了出汗对触觉反馈和舒适性的影响。

2. FIBHT在掌部集成了128个高密度电触觉电极单元，既能动态反馈，又具备超强的透气性和拉伸性，使其在干燥和潮湿环境下都能保持高时空分辨率的触觉反馈。

3. 采用创新材料（如电纺SBS纤维、液态金属和水凝胶）和整体系统集成策略，FIBHT形成了与皮肤紧密贴合的可穿戴设备，确保手部运动自如。

应用场景：

1. 虚拟现实（VR）/增强现实（AR）： FIBHT提供生动的虚拟触觉体验，适用于沉浸式VR/AR场景中的触觉反馈。

2. 医疗康复： 适用于患有周围神经疾病的患者或截肢者的触觉重建，帮助恢复自然触觉体验。

3. 人机交互： 作为轻便、舒适且高性能的触觉接口，可用于智能穿戴设备和人机交互场景中的触觉增强。

总结：

本研究提出了一种创新的柔性智能触觉设备（FIBHT），通过综合材料和系统级集成，使设备在透气性、拉伸性、稳定性和高精度触觉反馈方面都具备优越性能。FIBHT为新一代触觉接口提供了一种高效、舒适的解决方案，展现出在VR和可穿戴设备领域的广泛应用潜力。

文章名称：A fully integrated breathable haptic textile

期刊：Science Advances

文章DOI：10.1126/sciadv.adq9575

通讯作者：香港城市大学于欣格教授、香港理工大学郑子剑教授

FIBHT系统的设计

    FIBHT系统具备三大核心优势：高透气性和可伸展性、生物粘附性以及高集成度电极，能实现精细、动态、无串扰的高分辨率触觉反馈。由于手部出汗率高，FIBHT采用透气的SBS纤维和液态金属电极，结合高集成设计，使其在功能上与传统PCB设备相当，并利用水凝胶片实现低阻抗的稳定皮肤界面。系统含128个电极位点，通过多路复用器和高压模块生成电流，以无线方式控制多种触觉模式。

图1. FIBHT系统的示意图。(A) FIBHT系统特征的概念性示意图。(B) 手部汗腺密度分布及人体（前侧）在不可感知出汗（环境温度25°C）和剧烈出汗（环境温度37°C）情况下的汗液蒸发率分布。(C) FIBHT结构的爆炸图。(D) 控制电路在封装前（左）和封装后（右）的细节光学图像。(E) 完整FIBHT系统的光学图像。(F) FIBHT系统的简要框图。DAC，数模转换器；OP-AMP，运算放大器。

 材料及界面的表征

    作者开发了一种生物粘附性和导电性的水凝胶作为LM-皮肤界面，以改善界面特性并提供有效反馈。LM-水凝胶-皮肤界面的总阻抗显著低于相同尺寸的干电极（即金）和商业凝胶（图 2L）。

图2. 系统及界面的结构与材料。(A) 多层电子电路集成的横截面示意图。(B) 焊接芯片及电路细节的光学图像。(C) LM VIA横截面的扫描电子显微镜图像。(D) LM导线到128个电极的电阻分布，通过VIA或直接连接进行分类。(E) LM导线在极限拉伸测试（300%、400%和500%应变）中的电阻变化。(F) LM导线在循环拉伸测试中的电阻变化（长度5 mm；宽度254 μm）。(G) 原始SBS垫和LM涂层SBS的应力-应变曲线。(H) 皮肤/水凝胶/LM集成的横截面示意图。(I) SBS纤维垫上水凝胶/LM界面的横截面扫描电子显微镜图像。(J) LM/水凝胶界面的面积阻抗，三种尺寸的水凝胶片。n = 9（直径为2、4和6 mm，每组三块）。(K) LM/水凝胶/皮肤界面及其等效电路模型的结合示意图。MBAA，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺；AAm，丙烯酰胺；ZF，法拉第阻抗；CDL，电双层电容；RH，水凝胶接入电阻；RS，皮肤电阻；CSC，角质层电容；EGaIn，共晶镓铟。(L) 生物粘附水凝胶、100%拉伸水凝胶、商业凝胶和金（Au）电极的电极-皮肤面积总阻抗。n = 9（直径为2、4和6 mm，每组三块）。SE，刺激电极；CE，对电极。

FIBHT的穿着舒适性

    柔软、可伸缩和透气材料的使用显著提高了FIBHT的舒适性，相较于那些刚性或不透气的设备。水凝胶电极的生物粘附特性消除了对额外胶带或粘合剂的需求，简化了佩戴过程，用户只需将手放在设备上并拿起它（图3A及视频S1）。

视频 S1

    作为 FIBHT 系统的关键特性，高透气性可使水分正常蒸发，并为所覆盖皮肤提供透气性。在水蒸气渗透率（>657g/m²/day）和透气性（100 Pa 压力下>40 mm^-1）方面，优于医用胶带（Tegaderm，3M）和完整弹性体薄膜（图 3G）。通过雨水测试证明其具有防水性（吸墨纸重量仅增加 0.3 克）（视频S2）。

图3. FIBHT的佩戴舒适性。(A) FIBHT的佩戴过程。(B) 显示生物粘附水凝胶皮肤附着情况的光学图像。(C) 剥离测试的光学图像。(D) 循环剥离测试结果。(E) FIBHT在变形过程中位于手部的光学图像。(F) 显示控制电路工作时温度分布的红外热成像。(G) 各种样品之间水蒸气渗透率(WVPR)和气体渗透率结果的比较。(H和I) 显示干燥界面和在硅胶-HI内部表面凝结的积聚水分的光学图像，经过运动后(30分钟)。(J) 裸手(佩戴前)、FIBHT和硅胶-HI在佩戴30分钟后的相对皮肤湿度比较。(K) 显示原始组(佩戴前)和(L) 佩戴FIBHT(右手)及硅胶-HI(左手)组的手部温度的红外热成像。

视频S2

动态反馈用于精确的触觉识别

    作者研究了静态和动态触觉反馈对志愿者的识别能力，发现静态反馈识别率在长期使用中容易下降，而透气性好的界面（如FIBHT）和动态反馈则能显著提高准确性。通过时空动态模式和时间衰减模式，识别率最高达94.2%，验证了动态反馈在传递清晰触觉信息上的优越性。

图4. 动态反馈用户研究。(A) 用于指尖（FTP）反馈测试的八通道阵列的光学图像。(B) 指尖上的整体识别率分布。(C) 静态空间（SS）测试结果的混淆矩阵。(D) 每个个体的SS测试识别率分布。(E 和 F) 穿戴FIBHT和硅胶HI 30分钟的测试示意图。(G) 选定志愿者在佩戴硅胶HI 30分钟后的SS测试结果混淆矩阵。(H) FIBHT和硅胶HI组之间的平均识别率比较。(I) 八种不同的时空（ST）动态模式。(J) ST测试结果的混淆矩阵。(K) 每个个体的ST测试识别率分布。(L) ST模式之间的识别率。(M) SS和ST测试之间的平均识别率比较。(N) 八种不同的时间动态模式（TP/TF）。(O) TP/TF测试结果的混淆矩阵。(P) 每个个体的TP/TF测试识别率分布。(Q) TP/TF模式之间的识别率。(R) 手部五个区域的TP/TF测试识别率分布。

虚拟现实中的应用

视频 S3

视频 S4

视频 S5

图5. FIBHT在虚拟现实中的应用。(A) 捕捉玩家在不翻转麻将牌的情况下用拇指识别麻将牌的虚拟现实场景。(B) 五种不同的麻将牌及其对应的反馈模式。(C) 识别这些麻将牌的混淆矩阵（四名志愿者，每种麻将牌识别五次）。(D至G) 网球比赛的虚拟现实场景，对应的时间动态反馈和当前分布，包括握住网球拍(D)、接收到的慢速(E)、中速(F)和快速(G)。(H至I) 戴硅胶-HI (H) 和FIBHT (I) 的工作电极分布比较，均为佩戴30分钟后的情况。

Kuanming Yao et al., A fully integrated breathable haptic textile.Sci. Adv.10,eadq9575(2024).DOI:10.1126/sciadv.adq9575

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