研究背景
当前，传统触觉驱动器因刚性结构限制，难以精准模拟真实世界的复杂触觉体验，这一局限性阻碍了其在诸多领域的应用深化。鉴于此，研究人员着手探索新型触觉反馈技术。
文章概述
在这项研究当中，研究团队创新性地开发了一种基于全柔性、毫米级精度的多层介电弹性体驱动器的可穿戴触觉人工肌肉皮肤。该驱动器通过独特的厚度渐变多层结构设计，无需依赖刚性或液体偏置机制，即可实现显著的离面变形能力，同时确保了穿戴的舒适性和便携性。经过严谨的实验验证，人工肌肉皮肤展现出了在产生复杂触觉反馈方面的高度精确性。进一步地，研究团队成功将人工肌肉皮肤集成至扩展现实系统中，显著提升了用户的沉浸感体验，为娱乐、教育以及辅助技术等领域的创新应用开辟了全新路径。
该项研究以《Haptic artificial muscle skin for extended reality》为题发表在SCIENCE ADVANCES期刊上。
原文链接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adr1765
人工肌肉皮肤设备的集成和动态测试：
图文导读
首先，研究人员展示了基于毫米尺度、多层介电驱动器的可穿戴触觉人工肌肉皮肤，它能产生显著的面外变形并刺激皮肤以获得最佳触觉体验。通过厚度变化的多层介电驱动器和电场梯度机制，实现了无需外部压力或刚性组件的面外变形。
图1：介电驱动器的工作原理；(A) 展示了介电驱动器（一种具有离面驱动能力的皮肤集成柔性驱动器）如何实现有效的触觉感知。当启动时，介电驱动器变形并压入皮肤，刺激真皮内的多个机械感受器，如梅斯纳小体、默克尔细胞和帕西尼小体。这些感受器随后将触觉刺激传递给大脑，完成触觉感知过程；(B) 介电驱动器设计的示意图，由三层厚度逐渐减小的介电弹性体组成。在给定电压下，较薄层经历更高的电场，从而产生梯度驱动应变，最终导致离面驱动；(C) 10层介电驱动器在静止状态（左）和3千伏驱动状态（右）的侧视图。
随后，研究人员详细描述了介电驱动器的驱动原理，通过不同厚度的介电层在直流电压下产生不同的电场和驱动应变，从而实现面外屈曲和垂直力输出。并展示了介电驱动器的制备过程，确保层间强粘附力，防止驱动时分层。
图2：10层介电驱动器的性能；带误差条的结果表示三个样本的平均结果±标准差。(A) 指定驱动器直径的样本位移与电压曲线；(B) 力输出与电压曲线；(C) 在3.5千伏下，最大位移和力输出与驱动器直径的关系。实线和虚线分别表示实验和模拟结果；(D) 驱动器的ddR（位移与直径比）和比力输出的条形图；(E) 在20赫兹、3.5千伏方波电压下，4毫米介电驱动器驱动器经过20多万次循环后的测量行程长度（每个循环中最大和最小位移的差值）；(F) 在3.5千伏下，10层、4毫米介电驱动器驱动器的频率响应数据。
其次，研究人员展示了介电驱动器的实际应用，通过堆叠多层形成不同配置，以满足大力输出等实际需求。同时，展示了10层介电驱动器的横截面图像和有限元分析验证其屈曲特性，以及实验测量其位移和力输出，证明其作为触觉刺激的有效性。
图3：人工肌肉皮肤的集成；(A) 3x3 人工肌肉皮肤的爆炸视图示意图；(B) 显示viA连接的驱动器元素的详细示意图；(C) 人工肌肉皮肤附着在皮肤上时经历了严重变形，表现出强大的粘附力和高拉伸性；(D) 编程显示“U”、“c”、“l”和“A”图案的人工肌肉皮肤照片。SWnt：单壁碳纳米管；FFc：柔性扁平电缆。
接着，研究人员对比了不同直径介电驱动器的位移和输出力，发现较小直径的介电驱动器提供更高效的输出。同时，考虑了材料使用、性能稳定性和空间分辨率等因素，选择了4毫米直径的介电驱动器进行后续研究，并展示了其动态响应特性。
图4：人工肌肉皮肤的感知验证；(A) 强度测试的混淆矩阵。要求受试者识别他们接收到的驱动强度；(B) 频率测试的混淆矩阵。要求受试者识别他们接收到的驱动频率；(C) 模式测试的混淆矩阵。给受试者提供了9组模式的驱动刺激。模式1至9分别对应右、左、下、上、斜下、斜上、径向波纹、逆时针旋转和顺时针旋转。
然后，研究人员展示了人工肌肉皮肤设备的集成和动态测试。通过将介电驱动器阵列夹在弹性层和皮肤粘合剂之间，实现了人工肌肉皮肤的制备。并展示了人工肌肉皮肤在XR系统中的沉浸式体验应用，如模拟虚拟雨和操纵虚拟高尔夫球，通过调制触觉反馈的强度和频率，提供了逼真的交互体验。
图5：人工肌肉皮肤实现的XR演示；(A) 用户佩戴人工肌肉皮肤和hMd以获得沉浸式XR体验的照片。hMd通过USB连接到PC，人工肌肉皮肤连接到hvPS；(B) 体验下雨。上面两张图片显示了“小雨”和“大雨”条件下的雨景截图。为了模拟小雨，驱动器接收低频低压输入；为了模拟大雨，接收高频高压信号；(C) 当天气从小雨变为大雨时，人工肌肉皮肤内九个驱动器的实时电压；(D) 虚拟物体操作的演示。该图集描绘了用户将高尔夫球从（i）左上角滚到（ii）左下角再到（iii）右下角的情景。左侧三张图显示了用户看到的虚拟场景，右侧图显示了驱动器力输出的热图。颜色条位于底部。
总结
研究人员在本项工作中成功研制出一种名为人工肌肉皮肤的全柔软、皮肤集成式触觉界面系统。该系统创新性地采用了毫米尺度的介电驱动器驱动器，实现了显著的面外驱动效果。具体而言，一个尺寸为4毫米的介电驱动器驱动器能够产生最高达1.36毫米的位移量和0.21牛的力，且在经历超过20万次的连续运行后，其性能依然保持优异。通过结合这些柔软且稳定的驱动器与皮肤粘合剂，人工肌肉皮肤能够紧密且牢固地贴合于人体皮肤，从而提供复杂而精确的触觉反馈，其感知准确率高达90%以上。值得一提的是，人工肌肉皮肤系统还具备出色的可扩展性和可定制性，使其能够适用于不同的皮肤区域，并有望实现全身覆盖。
此外，人工肌肉皮肤系统的一大亮点在于其彻底摒弃了传统可穿戴触觉设备中的刚性组件，从而能够为用户提供更为自然、舒适的触觉体验，如模拟皮肤持续受压等感觉。这一创新不仅提升了用户在XR（扩展现实）环境中的沉浸感，也为人工肌肉皮肤在XR娱乐、虚拟培训以及辅助技术等领域的应用奠定了坚实基础。未来，人工肌肉皮肤有望为视障人士提供更为便捷的盲文显示和室内导航服务，展现出其在辅助技术领域的巨大潜力。
编辑：猫学长 | 审核：listen
