11月7日，我校力学与航空航天学院、工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室解兆谦教授（共同通讯作者）与美国西北大学John A. Rogers教授课题组、黄永刚教授课题组及西湖大学姜汉卿教授课题组合作，在《自然》（Nature）上发表了题为“基于生物弹性状态恢复的触觉感官替代”（Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution）的研究论文。这是解兆谦教授继2022年作为主要作者在《科学》（Science）发表“外周神经可逆传导阻滞的柔软且生物可吸收冷却器”（Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves）一文后取得的又一项重要成果。
该研究发明了一种基于生物弹性状态恢复的无线、低功耗、多刺激模式触觉皮肤电子器件，通过力-电-磁控制的双稳态及压扭耦合结构力学设计，可实现对皮肤不同深度触觉机械感受器的动态和静态、法向力和剪切力的多模式激励。该可编程多模式触觉激励的皮肤电子器件在视觉、平衡感和触觉感官替代中存在广阔的应用前景。
人体皮肤中多样的机械触觉感受器能感知并传递丰富的触觉信息。在社交媒体、游戏、娱乐及生物医学康复治疗中，快速可编程的触觉激励器应用广泛且潜力巨大，能有效替代或增强人体感知能力。然而，现有触觉激励器功耗高、模式单一，仅能激活皮肤中单一类型的机械触觉感受器，且多为有线控制，限制了使用的便捷性和应用的广泛性。为充分挖掘触觉界面的应用潜力，需要皮肤中多类型机械感受器的协同参与，以实现多感官互动，这对可穿戴触觉激励/感官替代器件的开发提出了新的挑战。
图1 用于多感官替代的无线、低功耗、多刺激模式触觉皮肤电子器件
针对上述业界广泛关注的挑战性难题，该文创新性设计了一种基于生物弹性恢复的无线、可编程、低功耗且具备多刺激模式的触觉皮肤电子器件（见图1）。该器件凭借其独特的力-电-磁控制双稳态结构，能够在瞬态微电流的作用下，于压缩与放松两种状态间实现快速且精准的切换，实现皮肤不同层面的静态与动态的激励（见图2）。同时，器件集成的压扭力学结构，结合先进的Kirigami设计，巧妙地实现了对皮肤剪切力与法向力的耦合作用，极大地丰富了触觉激励的多样性和精准度（见图2），为用户带来了更为真实、细腻的触感体验。此外，该器件采用了轻质的柔性延展力学结构设计，使得整体轻薄且易于穿戴，完美实现了与皮肤的无缝保形贴合，提升了用户的舒适度，确保了器件在长时间使用过程中的稳定性和可靠性。最为重要的是，该器件集成了先进的无线控制电路系统，能够根据前方障碍物、使用者身体姿势及步态等实时信息，智能地调整激励模式。这种智能化的设计使得器件能够为用户提供更为个性化、精准且实时的触觉反馈，从而在视觉、平衡感和触觉感官替代等领域展现出广阔的应用前景。
图2 力-电-磁控制的双稳态及压扭耦合力学结构设计
图3 感官替代人体测试
经过人体测试实验（见图3），确切地证明了以下几点：首先，通过智能手机的LiDAR技术感知前方障碍物，并与触觉皮肤电子器件协同工作，能够为视力障碍者提供精确且可靠的导航指引（见图3f）。其次，利用智能手机内置的惯性测量单元（IMU）实时监测用户的身体姿势变化，并与触觉皮肤电子器件相结合，可以为用药后等平衡感受损的患者提供平衡感官替代方案（见图3g）。最后，通过IMU精准追踪脚步的方向以及与地面的相对角度，配合触觉皮肤电子器件，可以辅助糖尿病脚部感官缺失的患者调整步态，有效预防跌倒，从而实现对其脚部感官功能的精准替代（见图3h）。
近年来，在郭旭院士领导下，我校力学与航空航天学院积极开展力学与柔性电子技术的交叉融合研究，取得了一系列创新成果。解兆谦教授于2020年加入郭旭院士团队，在学校及学院的大力支持下，现已成功建立起设施完善、功能齐全的柔性电子器件制备与测试实验室，并不断产出高水平成果。
解兆谦教授先后入选国家级青年人才、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、辽宁省优秀科技工作者等。在柔性电子力学及其应用领域，以第一/通讯作者（含共同）在Nature（2篇）、Science（2篇）、Nature或Science子刊（16篇）、JMPS（2篇）等期刊发表论文50余篇。
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图文来源|大连理工大学
