5年，再次问鼎Nature！
学术
2024-11-23 10:51
福建
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2019年，John A. Rogers院士、黄永刚院士在Nature上发表了他们首次实现将复杂的触摸感融合到VR和AR中。他们发展了一种无线，无电池的电子系统平台和触觉界面，能够轻柔地层压在皮肤的曲面上，以通过时空可编程的局部机械振动模式来传递信息。触觉致动器通过无线供电和控制，以及能压层贴合任何类型皮肤，使其具有低耗能和安全便捷性。该研究为后续的很多工作奠定了基础。近日，他们在可穿戴的皮肤触觉上再获突破！（虽然只是众多CNS的一篇）
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人体皮肤具有丰富的传入神经元组成。在与皮肤的物理相互作用过程中，皮肤机械感受器会引起这些神经元的活动，并作为识别和定位物体的基础。生物电子学领域一个令人兴奋的最新方向涉及开发能够以快速、可编程的方式使用这些传入神经元的系统。与其他外周神经相比，体感传入神经元可以通过与皮肤表面的直接相互作用选择性地和非侵入性地激活。正如虚拟现实和增强现实系统的出现所表明的那样，快速、可编程地操纵人类感官知觉的能力在社交媒体、游戏和娱乐领域有着广泛的应用。在治疗性生物医学系统中也存在特别引人注目的机会，这些系统应用这些体感界面来替代和增强缺失的感官能力。要充分发挥这些应用的潜力，需要快速和缓慢适应（rapidly and slowly adapting分别为 RA 和 SA）的机械感受器的参与。这些特殊的细胞通过相互协调以及与分布在皮肤各处的自然机械结构协调，调节触觉的感知和情感品质。鉴于此，美国西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士、西湖大学姜汉卿和大连理工大学解兆谦等人介绍了工程科学的概念，这些概念使得能够通过无线实时接口定位与这些受体相关的机械响应曲线。他们展示了一种微型机电结构，当与皮肤结合作为弹性储能元件时，它支持双稳态自感知变形模式。图 1b 说明了压痕、剪切和振动触觉刺激通过不同的接触元件（包括剪纸结构和圆柱形探针）的传输。该小型机械传感器的接合模式、功率传输密度和运行效率的多样性代表了关键，使之能够超越替代的静电、气动和电磁方法。该传感器的基本概念（如图 1c 所示）是将皮肤整合为一个中央机械部件，从而产生一种双稳态机制，可回收在压缩载荷下储存的能量。详细的生物力学研究为进一步小型化建立了原则，如图 1c 的插图所示。基于电感的自感应操作还可以作为闭环控制策略的一部分提高效率。这些特性使得组装灵活、轻便、相互连接的阵列成为可能，如图 1d、e 所示，其功能多样性大大超出了以前的报告。在演示这种不受束缚、贴合皮肤的阵列作为感觉替代的触觉界面时（图 1f、g 中的示例），基于智能手机的感官提示源自 3D 扫描和惯性测量，可产生感知，从而提高视觉和本体感觉障碍模型的性能。![]()
图|使用电池供电的生物集成双稳态传感器阵列实现多感官反馈该皮肤交互能够存储和释放机械能，这得益于三个关键的机械部件：核心、臂架和隔膜。核心内嵌有一个电磁线圈，位于一个软铁钴磁铁圆柱体内，它能够集中磁场并减少相邻单元间的干扰。臂架组件包括铁钴、钕铁硼永磁体和钛棒，钛棒作为与皮肤接触的线性轴。顶部由一种弹性隔膜封闭，这种隔膜由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和磁性纳米粉末（MNP）组成。每个换能器都通过一个粘附层与皮肤耦合，粘附层上配有可调节高度的刚性、可扭转锁定的套件，以改变臂架的有效压入深度。
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图|传感器的机械特性以及皮肤在维持双稳态中的作用
这种装置能够在压缩状态下储存能量，并在放松状态下释放。在压缩状态下，永磁体通过臂架施加的磁场磁化软铁钴核心，产生的强吸引力超过皮肤的反应力，从而在没有电流通过线圈的情况下维持压缩。在放松状态下，皮肤和PDMS-MNP隔膜的弹性防止臂架恢复原位，除非施加电流。通过这种双稳操作，换能器在状态间转换时消耗能量，但在任何状态下不持续消耗能量。此外，这种技术还能够提供双模式的振动触觉反馈，并且通过一种剪纸结构传递剪切力，这种结构能够将垂直于皮肤的力转换为与皮肤表面平行的切向力。这种装置还包括一个基于无线阵列的自感机制，可以实时调整输入功率以适应皮肤的变化。这里介绍的双稳态自感应换能器通过能量回收机制与皮肤交互，提供了新的操作模式和相关的触觉，其性能远远超过其他方法。这些概念是可编程的、皮肤贴合阵列的基础，该阵列接收和呈现多模态机械刺激模式。通过其提供巨大力量和位移的能力，它可以重现与 SA 和 RA 类机械感受器相关的皮肤感觉。它还可以混合静态和动态变形，解决需要这些类别之间协调和同时参与的感觉。最后，使用紧凑、高效的剪纸传输结构，它可以操纵力的方向。这些机械传感通路有助于人类各种重要的感官知觉，包括皮肤与其物理环境接触的起源、方向和纹理质量。因此，同时提供压痕、扭转和振动的能力为沉浸式触觉真实感和提高其应用的直观性提供了坚实的基础。这种多感官操作特别适合需要整合复杂体感信息流的生物医学应用，例如本文所研究的那些。在无线、贴合皮肤的触觉界面演示中，基于智能手机的感官提示源自 3D 扫描和惯性测量，可产生感知，从而提高视觉、前庭和本体感觉替代任务模型的性能。1. Flavin,
M.T., Ha, KH., Guo, Z. et al. Bioelastic state recovery for haptic sensory
substitution. Nature 635, 345–352 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-92. Yu, X., Xie,Z., Yu, Y. et al. Skin-integrated wireless haptic interfacesfor virtual and augmented reality. Nature 2019，575, 473–479.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1687-0Nanolab纳米材料交流QQ群：937788022
