人类皮肤中丰富的机械感受器为多种信息传递和感知提供了多功能界面，随着科技的发展，触觉反馈在医学康复、虚拟现实等领域的需求急剧上升。然而，如何高效且准确地模拟多种触觉反馈形式，尤其是涉及力的多方向与多强度反馈，仍然是一个重要挑战，因此,开发一种能够有效刺激皮肤机械感受器并提供丰富触觉信息的系统具有重要意义。另外，传统的触觉反馈装置在可穿戴性和多模态反馈集成方面的限制亟待突破。
多模态触觉反馈系统
西湖大学工学院姜汉卿教授团队与西北大学和大连理工大学的研究团队合作，创造性地设计出一种基于生物弹性双稳态机制的柔性多模态触觉反馈系统。该系统基于皮肤的自然弹性研究了一种独特的双稳态换能器，这种设计不仅可以施加静态和动态力反馈,还能有针对性地刺激不同类型的机械感受器，实现了可编程的高效多模态触觉反馈。同时，该团队通过创新的曲线折纸结构研究，成功地在小型化空间内实现了剪切力传递。该多模态触觉反馈界面集成了多个法向力和剪切力换能器单元，不仅能够模拟静态按压和动态振动，还能实现动静态扭转触觉效果，从而传达丰富的触觉组合信息，为柔性穿戴设备的多模态触觉和小型化提供了新思路。
曲线折纸结构设计
该论文提出了一种新型的多模态触觉感官替代系统。团队首先针对人类皮肤的机械感受器特性，设计了触觉感官替代系统的生物弹性双稳态机制。基于此，研究团队将电磁结构和人体皮肤能量特性相结合，研发了一种新型的小型化可编程的双稳态换能器单元，这种设计可以有针对性地刺激不同类型的皮肤机械感受器，施加静态和动态的力触觉刺激。另外，该团队首次研究并应用了基于Kresling的曲线折纸结构，这种曲线设计的独特几何形态既克服了传统折纸结构在折叠过程中内部空间有限的难点，实现了换能器基础单元与折纸结构的有效集成，还实现了换能器将法向力转化为精确的剪切力触觉刺激模拟，从而通过皮肤与换能阵列装置之间的机械耦合实现多种力学反馈方式。该柔性换能器阵列界面系统支持多种触觉反馈模拟，包括静态按压、动态振动和动静态扭转刺激输出，形成可贴附于皮肤的无线触觉界面，能够与智能移动设备连接，从而实现触觉信息的实时采集和反馈。大量测试结果证明了其在多模态触觉模拟中的高效切换及佩戴舒适性。
换能器震动触觉及扭转触觉模拟
换能器震动触觉及扭转触觉模拟
用户研究及统计分析结果表明，参与者可以清晰感知该柔性装置提供的按压、振动和扭转触觉刺激，并且在测试角度范围内对不同角度的扭转刺激有明显感知差异，尤其是多点剪切力扭转模拟，显示了该装置在精细触觉反馈方面的显著优势。该设备能在低能耗的情况下实现多模态触觉反馈持续输出，表明了该技术在智能穿戴及准确传递多模态力触觉反馈方面的巨大潜力。
用户研究-震动触觉刺激及扭转触觉刺激的感知有效性
多模态触觉模拟系统及应用测试
该系统被应用于环境感知反馈、姿势平衡调整和步态定位等用户任务测试。研究表明该装置可以有效的帮助具有视觉或位置感知障碍的个体实现实时的姿态和运动调整。该技术为未来多模态触觉反馈技术在生物医学工程、智能辅助领域以及虚拟现实等行业的应用带来了新的可能。
论文信息
发表期刊 Nature
发表时间 2024年11月6日
论文标题Bioelastic State Recovery for Haptic Sensory Substitution
（DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-9）
团队介绍
该研究由西北大学生物电子研究所John Rogers教授，西湖大学工学院姜汉卿教授，大连理工大学工程力学系解兆谦教授以及西北大学机械工程系黄永刚教授共同领导。
第一作者Matthew T. Flavin博士（现任乔治亚理工学院助理教授）和郭增荣博士（西湖大学助理研究员）共同参与了主要研究工作，分别负责该项目的双稳态机制和剪切力触觉模拟研究及应用。
