新型触觉贴片将复杂的触觉传递到皮肤

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由西北大学领导的工程师团队开发了一种新型可穿戴设备，可以刺激皮肤产生各种复杂的感觉。
这种薄而柔韧的设备可以轻柔地贴在皮肤上，提供更真实、更身临其境的感官体验。虽然这种新设备显然适合游戏和虚拟现实(VR)，但研究人员还设想将其应用于医疗保健领域。例如，该设备可以帮助有视力障碍的人“感受”周围环境，或向假肢使用者提供反馈。
该研究将于周三（11 月 6 日）发表在《自然》杂志上。
该设备是西北大学生物电子学先驱 John A. Rogers 在可穿戴技术方面的最新进展。这项新研究以 2019 年在《自然》杂志上发表的论文为基础，在论文中，他的团队介绍了“表皮 VR ”，这是一种皮肤界面系统，可通过大面积皮肤上的微型振动致动器阵列传递触觉，并实现快速无线控制。
罗杰斯说：“我们用于皮肤的新型微型执行器比我们在 2019 年的原始论文中用作演示工具的简单‘蜂鸣器’功能强大得多。” “具体来说，这些微型设备可以在一系列频率内提供受控力，无需持续施加电力即可提供恒定的力。
“附加版本允许相同的执行器在皮肤表面提供轻柔的扭转运动，以补充传递垂直力的能力，增加感觉的真实感。”
罗杰斯是路易斯·辛普森和金伯利·奎雷材料科学与工程、生物医学工程和神经外科教授，任职于西北大学麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院。他还担任奎雷·辛普森生物电子研究所所长。
罗杰斯与西北大学的黄永刚、麦考密克大学机械工程系 Jan and Marcia Achenbach 教授、中国西湖大学的蒋汉清和中国大连理工大学的谢兆乾共同领导了这项工作。蒋的团队建造了实现扭转运动所需的小型修改结构。
利用皮肤储存的能量
这款新设备由 19 个小型磁力致动器组成，呈六角形排列，封装在薄而柔韧的硅胶网状材料中。每个致动器都可以传递不同的感觉，包括压力、振动和扭曲。该设备使用智能手机中的蓝牙技术接收有关人周围环境的数据，并将其转化为触觉反馈——用一种感觉（如视觉）替代另一种感觉（触觉）。
用户将新设备戴在脖子上以获得感官反馈。图片来源：西北大学
尽管该设备由一小块电池供电，但它采用巧妙的“双稳态”设计来节省能源。这意味着它可以保持在两个稳定的位置，而无需持续输入能量。当执行器向下按时，它会将能量储存在皮肤和设备的内部结构中。当执行器向上推时，设备会利用少量的能量释放储存的能量。
因此，该设备仅在执行器改变位置时才消耗能量。凭借这种节能设计，该设备一次充电即可运行更长时间。
论文第一作者马修·弗莱文 (Matthew Flavin) 表示：“我们的最终想法不是对抗皮肤，而是真正利用皮肤中储存的能量作为弹性能量，并在设备运行过程中恢复这种能量。”
“就像拉伸橡皮筋一样，压缩弹性皮肤可以储存能量。然后，我们可以在提供感官反馈时重新应用这些能量，这最终是我们创建这种真正节能系统的基础。”
从事这项研究时，弗拉文是罗杰斯实验室的博士后研究员。现在，他是佐治亚理工学院电气与计算机工程系的助理教授。
感觉替代
为了测试该装置，研究人员蒙住健康受试者的眼睛，测试他们避开路上物体的能力、改变脚部位置以避免受伤的能力以及改变姿势以改善平衡的能力。
一项实验涉及一名受试者穿越障碍物。当受试者接近物体时，设备会在其右上角以光强度的形式提供反馈。随着受试者靠近物体，反馈变得更加强烈，并靠近设备中心。
只需短时间的训练，使用该设备的受试者就能实时改变行为。通过用机械信息代替视觉信息，该设备“操作起来与白手杖非常相似，但它整合的信息比人们使用更常见的辅助工具所能获得的信息更多，”弗拉文说。
罗杰斯说：“作为几个应用示例之一，我们展示了该系统可以支持基本版本的‘视觉’，其形式是触觉模式传递到皮肤表面，这种模式基于使用智能手机上的 3D 成像功能（LiDAR）收集的数据。”
“这种‘感觉替代’提供了一种原始的但功能上有意义的周围环境感知，而无需依赖视力——这种能力对于有视力障碍的人来说很有用。”