美國西北大學John A. Rogers院士聯(lián)合黃永剛院士團隊介紹了一種小型執(zhí)行器技術(shù)，可以向皮膚表面施加全方位、可疊加、動態(tài)的力，從而刺激單一類別的機械感受器或它們的選定組合。通過這種技術(shù)，可以實現(xiàn)高位觸覺信息傳輸和逼真的虛擬觸覺體驗。通過在人類受試者的感知研究中，展示了在擴展現(xiàn)實應用中的具體效果，包括先進的手部導航、逼真的紋理重現(xiàn)以及音樂感知的感覺替代。
觸覺是我們感知物理環(huán)境的重要方式，它幫助我們識別物體、操作物品并加強社交互動。觸覺來自皮膚中的機械感受器，這些感受器廣泛分布在皮膚的各個區(qū)域，通過神經(jīng)纖維的末端傳遞刺激信號。最近的研究集中在開發(fā)能夠快速、可編程地產(chǎn)生觸覺感覺的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠通過薄型、靈活的設(shè)備與皮膚的大面積接觸，不僅限于指尖。這些技術(shù)結(jié)合了視覺和聽覺系統(tǒng)，能夠在擴展現(xiàn)實（XR）應用中提供沉浸式體驗，廣泛應用于娛樂、社交、醫(yī)療和物理康復等領(lǐng)域。結(jié)合傳感器和執(zhí)行器的技術(shù)，還能夠為遠程操作和醫(yī)療提供閉環(huán)反饋，特別是對于截肢者或視聽障礙者，可以補充和增強他們的感官功能。然而，目前一些現(xiàn)有的技術(shù)由于設(shè)備體積大、質(zhì)量重、附著位置有限，且難以分布成可編程陣列，難以滿足沉浸式XR體驗的需求。
本文介紹了一種無線實時觸覺界面技術(shù)，能夠在皮膚表面生成可編程的變形，具有完全的運動自由度。該技術(shù)通過使用一組可單獨控制的線圈來產(chǎn)生磁場，以滿足皮膚上所有受體的激活需求。每個執(zhí)行器利用洛倫茲力與固定磁鐵的相互作用來操作，這些磁鐵與皮膚接觸，從而實現(xiàn)觸覺刺激（圖1A）。這種方法可以產(chǎn)生正常、剪切、扭轉(zhuǎn)和振動等不同類型的機械刺激，激活皮膚上的不同類型的機械感受器，達到高精度的觸覺反饋。通過這種技術(shù)，作者能夠在不影響皮膚的情況下，針對每種受體進行精確的刺激。執(zhí)行器設(shè)計包括多個不同尺寸的線圈和傳感器，利用磁場和電流的變化來控制刺激的方向和強度（圖1B）。此外，整個系統(tǒng)通過藍牙低功耗電子系統(tǒng)和可充電電池實現(xiàn)無線連接，使得該觸覺系統(tǒng)能夠與便攜式XR設(shè)備（如智能眼鏡、虛擬現(xiàn)實頭盔和智能手機）進行協(xié)調(diào)操作（圖1D、E）。
FOM執(zhí)行器不僅能再現(xiàn)日常觸覺體驗，還能夠通過編程激活皮膚中的機械感受器來傳遞信息。研究表明，觸覺刺激的方向、頻率、強度、節(jié)奏和位置等參數(shù)結(jié)合在一起，可以顯著增強信息傳遞。觸覺界面能夠為視力受限者提供導航或其他輸入，作為一種輔助感知系統(tǒng)，不會干擾他們的主要聽覺功能。佩戴智能眼鏡的人通過背部的FOM執(zhí)行器引導，成功抓取瓶子和格蘭諾拉棒（圖2A）。智能眼鏡與手機共享視圖，手機識別手部和目標物體的位置，并向FOM執(zhí)行器發(fā)送命令。當視覺數(shù)據(jù)包括深度信息時，導航系統(tǒng)能提供更詳細的指導。根據(jù)手的位置，相同的命令會產(chǎn)生不同的觸覺刺激，作為感知參考坐標。例如，命令將手向上移動時，對于中立手勢，會產(chǎn)生x方向的正觸覺刺激，而對于掌心朝下的手則轉(zhuǎn)化為z方向的刺激（圖2B）。執(zhí)行器中的IMU測量重力加速度，判斷手的姿勢并發(fā)出相應的命令（圖2C）。通過這種觸覺導航，個體成功地定位了瓶子和格蘭諾拉棒。FOM執(zhí)行器能夠再現(xiàn)指尖的真實紋理感知，利用IMU提供的手指運動方向和速度信息（圖2D）。通過摩擦系數(shù)和施加的正向力，F(xiàn)OM執(zhí)行器在指尖表面生成剪切力和振動頻率，從而重現(xiàn)紋理感知（圖2E和圖2F）。在實驗中，受試者能夠在虛擬的垂直和水平撫摸模式下，96%的成功率區(qū)分六種不同的表面（圖2G和圖2H）。
觸覺界面作為一種替代感知系統(tǒng)，不僅為聽力受損者提供了體驗音樂的機會，還能增強沒有聽力障礙者的音樂體驗（圖3A）。FOM執(zhí)行器平臺可以將聲音波的頻率和強度轉(zhuǎn)化為觸覺振動力，進行適當?shù)目刂啤Ｌ魬?zhàn)之一是再現(xiàn)音色差異，盡管頻率相同，不同樂器的音色不同。FOM執(zhí)行器通過方向控制，能夠產(chǎn)生不同音質(zhì)的振動，這是傳統(tǒng)執(zhí)行器無法做到的。該技術(shù)可以使單個FOM執(zhí)行器再現(xiàn)不同樂器的音樂（圖3B）。具體過程包括使用機器學習算法分離樂器和人聲組件，分析其頻率和強度，并將這些信息轉(zhuǎn)化為觸覺振動。在示例中，音樂中的人聲、電吉他和鼓被轉(zhuǎn)化為觸覺振動，測試結(jié)果表明，觸覺界面能夠通過單個執(zhí)行器感知到不同音調(diào)的振動，并識別不同樂器（圖3C）。
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