廈門大學廖新勤《自然·通訊》：給手勢加上語境

在從虛擬現實的沉浸式體驗到智能假肢的精密操控世界里，一個長期困擾人機交互領域的問題正在悄悄限制著技術的上限：電子皮膚如何像人類一樣，在劇烈的肢體運動中依然保持對微小觸覺的敏銳感知？人類的體感系統天生具備雙線并行的能力——本體感受告訴我們肢體在哪，觸覺告訴我們碰到了什么，兩者在大腦中交織，構成了我們對動作上下文（Context）的理解。然而，現有的人造電子皮膚往往不僅厚重，更面臨著嚴重的信號串擾：肢體彎曲產生的巨大拉伸信號往往會淹沒指尖微弱的接觸信號，或者被誤判為按壓。這種聽不懂話的尷尬，使得機器難以判斷一個握拳動作究竟是單純的用力，還是為了抓取某個物體。這一長期困境迫切需要全新的解決思路。

在此，廈門大學廖新勤團隊 聯合南洋理工大學鄭元謹教授及北京科技大學廖慶亮教授，提出了一個令人意想不到的答案：利用超保形雙模態電子皮膚（HDM metaskin）來物理性地解耦本體感受與觸覺。研究顯示，通過獨特的納米復合材料與超薄親水基底設計，這款厚度僅10微米的電子皮膚能像第二層皮膚一樣嵌入指紋深處。更絕妙的是，它利用信號極性的相反趨勢——拉伸使電阻升高，觸摸使電阻降低——在單根數據通道內就完成了復雜意圖的清晰編碼。這種給手勢加語境的策略，不僅讓機器人在無視覺輔助下實現了基于姿態的自適應導航，還創造了一種僅憑雙指微動就能實現鍵盤和鼠標操縱。一個小小的超薄薄膜，被團隊變成了跨越物理世界與數字意圖的高精度上下文接口。相關成果以“A hyperconformal dual-modal metaskin for well-defined and high-precision contextual interactions”為題發表在《Nature Communications》上。

無感皮膚：物理級的信號解耦與重構

在圖1與圖2中，作者展示了這種HDM metaskin如何像“隱形外掛”一樣工作：得益于“無應變轉移”策略，預先打印好的銀納米復合導電網絡被無損地轉移至皮膚表面，其10微米的厚度不僅消除了佩戴異物感，更極大地降低了界面機械損耗。真正的“魔法”在于其信號機制：傳統的傳感器往往因為應變與壓力的信號同向而混淆，而HDM metaskin在被拉伸時，導電網絡中的微裂紋擴展導致電阻大幅上升（本體感受主導）；而當手指觸碰物體時，并聯導電通路的引入則使電阻線性下降（觸覺主導）。這種物理層面上截然相反的信號極性，使得系統無需復雜的傳感器陣列，僅憑單通道數據就能利用時序差分算法，精準地將“肢體在做什么”（姿態）與“手指碰到了什么”（觸覺）剝離出來。這意味著，電子皮膚終于擁有了區分背景與指令的能力。

圖1 模擬人類感知功能的超保形雙模態超膚

圖2 HDM metaskin的制備與轉印

什么是“上下文”？讓機器讀懂姿態中的深意

圖3與圖4揭示了這項技術的核心思想：上下文交互（Contextual Interaction）。通俗來說，上下文就是決定動作具體含義的語境：就像同一個單詞在不同句子里代表不同意思，一個簡單的觸碰，在手腕伸直或彎曲時，應該代表截然不同的指令。研究團隊通過實驗證明，即便在劇烈的肢體拉伸下，該器件對觸摸位置的解耦預測誤差仍小于2.6%。這賦予了機器一種類似于人類直覺的邏輯：系統不再是機械地記錄數據，而是先通過本體感受信號確定當前的操作模式，再通過觸覺信號觸發具體的執行動作。這種機制完美解決了傳統傳感器在運動中“由于信號淹沒而失靈”的痛點，讓電子皮膚從被動的傳感器進化為主動的意圖理解者。

圖3 應變感知與觸摸定位感知的明確信號

圖4 HDM metaskin 的皮膚上性能

從“空氣擊鼓”到“無感打字”：多場景的交互革命

圖5與圖6展示了這種上下文感知在實際應用中的驚人潛力。在“空氣擊鼓”演示中，面對極其相似的手腕揮動動作，傳統的運動傳感器往往無法區分用戶是想敲擊小軍鼓還是手鼓。而HDM metaskin通過感知手指對鼓棒的抓握姿態（Context），精準定義了樂器種類，再結合手腕動作觸發鼓聲，識別準確率超過90%。在機器人控制場景中，手腕的彎曲角度被定義為機器人的行走地形模式（如平地或跨越障礙），而指尖的觸控則負責導向，實現了行云流水般的直覺操控。更令人印象深刻的是Bi-code輸入法：用戶無需敲擊巨大的鍵盤，只需通過兩根手指的伸縮（定義字符集上下文）配合輕微的觸碰（選定字符），就能在極小的空間內實現鍵盤輸入和鼠標操作。這種交互方式為殘障人士輔助設備、AR/VR隱形控制以及野外便攜操作提供了全新的想象空間。

圖5 基于本體感受上下文的導航與操控應用

圖6 基于觸摸上下文的物體交互

總結與展望

這項工作從一張看似普通的超薄薄膜出發，將其發展為一種可量化、高精度、具備邏輯理解能力的雙模態感知系統。它不依賴笨重的多通道硬件，卻能通過物理機理的創新解決最棘手的信號串擾問題。HDM metaskin讓機器人的觸覺更智能，讓虛擬現實的交互更自然，也為未來的具身智能提供了一種讀懂人類潛臺詞的可能。未來，這種基于上下文的機械智能感知還可能被推廣到軟體機器人感知、智能假肢反饋乃至元宇宙的全身交互中。一層薄薄的膜，正在悄然開啟自然人機交互的新紀元。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65624-z