当前的延展实境（XR）技术，诸如虚拟现实（VR）和增强现实（AR）头戴式显示器，主要通过交互式视觉和声音来增强人类体验。然而，XR的下一个前沿领域旨在通过整合触觉来重新定义沉浸感，这有可能彻底改变包括娱乐，通信，教育和医疗保健在内的各个领域。下一代XR的核心是触觉致动器，它负责从虚拟环境中产生触觉并将其传输到位于我们皮肤真皮内的机械感受器。虽然传统的触觉致动器已经被集成到XR接口中，但是它们庞大的形状因子和对特定身体部位的限制缺乏通用性，妨碍XR交互期间的灵巧性，并且限制用户的沉浸式体验。类似于皮肤贴片的皮肤贴片集成触觉接口提供了一种有前途的替代方案，其具有对各种身体部位的灵活适应性，从而减少侵入性并实现与虚拟环境的自然交互。现有的皮肤-触觉集成触觉主要使用压电致动器或磁马达来产生机械振动形式的人工感觉反馈，称为振动触觉反馈。尽管如此，这些致动器的固有刚性阻碍了XR设备的耐磨性。
加利福尼亚大学的Qibing Pei课题组报道了一种基于毫米级多层 DEA 的可穿戴触觉人造肌肉皮肤 （HAMS），能够产生显着的平面外变形并压痕皮肤以获得最佳触觉刺激。DEA 利用厚度可变多层 DE （TVMDE） 内的电场梯度机制来实现平面外变形，而无需外部压力偏置或任何非活性刚性组件。这使得 HAMS 能够保持完全柔软的结构，以最佳的耐磨性和舒适度贴合用户的皮肤。当无缝应用到用户的身体上并连接到 VR 耳机时，HAMS 提供了身临其境的 XR 体验，具有扩展的感觉，与现实世界交互的触觉反馈非常相似。
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图1：TVMDE的工作原理。(A)TVMDE是一种集成于皮肤的软致动器，具有平面外致动功能，可实现有效的触觉感知。当打开时，TVMDE使皮肤变形和凹陷，刺激真皮内的多个机械感觉器官，例如迈斯纳小体、默克尔细胞和帕西尼小体。然后这些器官将触觉刺激发送到大脑，以完成触觉感知过程。(B)TVMDE设计示意图，由三层厚度逐渐减小的DE组成。在给定电压下，较薄的层经历较高的电场，导致梯度致动应变，其最终导致平面外致动。(C)10层TVMDE在静止时（左）和在3 kV激励期间（右）的侧视图。![]()
图2：带有误差条的结果表示三个样品的平均结果± SD。(A)具有指定致动器直径的样品的位移-电压曲线。(B)力输出与电压曲线。(C)最大位移和力输出与致动器直径在3.5 kV。实线和虚线分别表示实验和模拟结果。(D)致动器的DDR和比力输出与直径的条形图。(E)在20-kHz z、3.5-kV方波电压下运行超过200，000次循环的4-mm TV MDE致动器的测量冲程长度（每个循环中最大和最小位移之间的差异）。(F)3.5 kV时10-μ m层、4-μ mm TV MDE致动器的频率响应数据。![]()
图3：HAMS的集成。(A)3 × 103 HAMS的分解图示意图。(B)显示VIA连接的致动器元件的详细示意图。(C)HAMS在附着于皮肤时发生严重变形，显示出稳健的粘附性和高拉伸性。(D)HAMS的照片被编程为显示“U”、“C”、“L”和“A”的模式。SWNT，单壁碳纳米管; FFC，柔性扁平电缆。![]()
图4：HAMS的感知验证。(A)强度测试的混淆矩阵。要求受试者确定其接受的驱动强度。(B)频率测试的混淆矩阵。要求受试者确定他们接受的驱动频率。(C)模式测试的混淆矩阵。受试者被给予9组模式的致动刺激。模式1至9分别对应于右、左、下、上、对角向下、对角向上、径向涟漪、逆时针旋转和顺时针旋转。![]()
图5：由HAMS支持的XR演示。(A)用户佩戴HAMS和HMD进行沉浸式XR体验的照片。HMD通过USB连接到PC，HAMS通过电线连接到HVPS。(B)正在下雨。;上面两张图片分别是“小雨”和“大雨”情况下的雨景截图。致动器在较低频率接收较低电压输入以模拟小雨，并在较高频率接收较高电压信号以模拟大雨。(C)当天气从小雨变为大雨时，HAMS内九个执行器的真实的电压。(D)虚拟对象操作的演示。该图描绘了当用户在手掌中将高尔夫球从（i）左上角滚动到（ii）左下角再滚动到（iii）右下角时的事件。左边的三个图显示了用户看到的虚拟场景，而右边的图显示了致动器的力输出的热图。颜色条显示在底部。
作者成功展示了一种触觉人工肌肉皮肤（HAMS），是一个完全柔软的皮肤贴附集成触觉接口，包括毫米级变厚度多层膜（TVMDE）致动器，实现了大的平面外驱动。4毫米TVMDE可以产生高达1.36毫米的位移和高达0.21 N的力，同时保持高性能，连续运行超过200，000次。凭借这些柔软稳定的致动器和皮肤粘合剂，HAMS可以无缝、坚固地附着在皮肤上，提供复杂的触觉反馈，感知准确度超过90%。HAMS的可扩展性和可定制性使其能够应用于不同的皮肤表面，并可能覆盖整个身体。此外，HAMS消除了可穿戴触觉设备中常见的刚性组件，并提供额外的感觉，如皮肤上的持续压力，增强了用户在XR环境中的体验。这项工作使HAMS有可能用于XR娱乐和虚拟培训等应用，以及辅助技术，如显示盲文字母和视觉障碍人士的室内导航。
【参考文献】
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1765
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