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下一代觸覺交互：可變形材料與結(jié)構(gòu)引領(lǐng)可穿戴觸覺界面變革

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療訓(xùn)練和人機(jī)交互等領(lǐng)域的快速發(fā)展，能夠再現(xiàn)人類觸覺的觸覺技術(shù)變得愈發(fā)關(guān)鍵。傳統(tǒng)的觸覺設(shè)備正從笨重的剛性系統(tǒng)向輕量、可拉伸、貼合皮膚的柔性可穿戴形式轉(zhuǎn)變，以提升用戶舒適度和觸覺逼真度。然而，當(dāng)前技術(shù)由于對(duì)可變形材料和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探索不足，在提供多樣化的反饋模式和精細(xì)的空間分辨率方面仍然受限，難以精準(zhǔn)模擬自然的皮膚感覺。

在此背景下，香港城市大學(xué)于欣格教授、孫東教授團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦大學(xué)黃雅合作系統(tǒng)回顧了用于可穿戴觸覺反饋的可變形材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的最新進(jìn)展。文章提出了基于關(guān)鍵觸覺感知機(jī)制的系統(tǒng)性評(píng)估指標(biāo)，以從振幅、頻率、空間分辨率和能量效率等多方面評(píng)估性能。作者分析了材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工程和系統(tǒng)集成方面的關(guān)鍵成果，并討論了下一代柔性可穿戴觸覺界面當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)與未來的研究方向，旨在為研究者選擇合適的材料和設(shè)計(jì)策略提供指導(dǎo)。相關(guān)論文以“Deformable materials and structures in wearable haptic interfaces”為題，發(fā)表在

Nature Reviews Materials

觸覺感知始于皮膚因機(jī)械刺激而產(chǎn)生的變形，由皮膚中的機(jī)械感受器介導(dǎo)。這些感受器包括邁斯納小體（FA I）、環(huán)層小體（FA II）、默克爾盤（SA I）和魯菲尼末梢（SA II），它們將壓力、剪切、滑動(dòng)等復(fù)雜刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)，使人能夠感知力、位移、方向、振動(dòng)和空間細(xì)節(jié)這五個(gè)核心維度。為了在虛擬環(huán)境中復(fù)制這一自然過程，觸覺界面需要生成能模擬真實(shí)觸感的人工機(jī)械刺激。

為了系統(tǒng)地評(píng)估觸覺反饋設(shè)備的性能，研究者們建立了一個(gè)多維評(píng)估框架。該框架不僅涵蓋了與觸覺感知直接相關(guān)的驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)——如位移幅度（A）、驅(qū)動(dòng)力（F）、方向（D）、振動(dòng)頻率（V）和空間分辨率（R），還納入了與用戶體驗(yàn)密切相關(guān)的安全性（S）、設(shè)備尺寸（Z）和貼合性（C）。這一框架將材料和結(jié)構(gòu)的性能與人類感知及可用性對(duì)齊，有助于開發(fā)更有效、用戶友好的觸覺交互系統(tǒng)。

圖1 | 真實(shí)與虛擬世界中的觸覺交互示意圖。 a-b，人類的觸覺感知始于皮膚因來自真實(shí)物體（a部分）和可變形驅(qū)動(dòng)器（b部分）的機(jī)械刺激而引起的變形，無論是在真實(shí)還是虛擬世界中。c，人類皮膚中的機(jī)械感受器包括邁斯納小體（快適應(yīng) I 型）、環(huán)層小體（快適應(yīng) II 型）、默克爾盤（慢適應(yīng) I 型）和魯菲尼末梢（慢適應(yīng) II 型）。d，人類皮膚中機(jī)械感受器的特性。

圖2 | 觸覺感知與評(píng)估指標(biāo)示意圖。 a，多維觸覺感知可分為五個(gè)方面：力、位移、振動(dòng)、空間分辨率和方向感知。b，觸覺反饋驅(qū)動(dòng)器的評(píng)估指標(biāo)基于觸覺感知，包括驅(qū)動(dòng)力（F）、位移幅度（A）、方向（D）、振動(dòng)頻率（V）、空間分辨率（R）以及與用戶體驗(yàn)相關(guān)的參數(shù)，如安全性（S）、尺寸（Z）和貼合性（C）。

實(shí)現(xiàn)高性能觸覺反饋的核心在于先進(jìn)的可變形材料。壓電材料，如鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷，以其高效的機(jī)電轉(zhuǎn)換和寬頻振動(dòng)能力在紋理渲染方面表現(xiàn)卓越，但其剛性和小位移輸出限制了其在柔軟、可拉伸場(chǎng)景中的應(yīng)用。相比之下，聚偏氟乙烯（PVDF）等壓電聚合物具有固有的柔韌性，更易于集成到可穿戴設(shè)備中，但驅(qū)動(dòng)力和輸出位移較弱。形狀記憶材料，包括形狀記憶合金和形狀記憶聚合物，能夠?qū)崿F(xiàn)大而可逆的變形，分別以高驅(qū)動(dòng)力和大位移或高空間分辨率和形狀鎖定能力見長(zhǎng)，但它們的響應(yīng)速度通常較慢，且工作溫度較高。液晶彈性體結(jié)合了液晶的各向異性和聚合物網(wǎng)絡(luò)的彈性，可實(shí)現(xiàn)可逆的收縮與伸長(zhǎng)，具有優(yōu)異的貼合性和良好的空間分辨率，適合制造復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，但其力輸出和響應(yīng)速度仍有待提升。磁性復(fù)合材料通過嵌入磁性顆粒的軟聚合物基質(zhì)響應(yīng)外部磁場(chǎng)，能實(shí)現(xiàn)快速、定向、可逆的響應(yīng)以及多自由度運(yùn)動(dòng)，在動(dòng)態(tài)可穿戴觸覺系統(tǒng)中展現(xiàn)出良好潛力，但其力輸出受限于顆粒含量和場(chǎng)強(qiáng)。

圖3 | 選定可變形材料的性能指標(biāo)。 展示了壓電陶瓷（a部分）、壓電聚合物（b部分）、形狀記憶合金（c部分）、形狀記憶聚合物（d部分）、液晶彈性體（e部分）和磁性復(fù)合材料（f部分）的變形原理、觸覺反饋應(yīng)用及評(píng)估指標(biāo)。

除了材料本身，創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于生成觸覺反饋所需的機(jī)械刺激同樣至關(guān)重要。流體驅(qū)動(dòng)聚合物結(jié)構(gòu)，如氣動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)器件，能夠產(chǎn)生巨大的變形和高驅(qū)動(dòng)力，非常適合于模擬按壓和拉伸，但其便攜性和高頻響應(yīng)受限于外部泵和流體動(dòng)力學(xué)。電磁結(jié)構(gòu)以其快速響應(yīng)和高可控性著稱，能實(shí)現(xiàn)多自由度驅(qū)動(dòng)和高頻振動(dòng)，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)較為剛性，在靈活性和集成度上面臨挑戰(zhàn)。疊層結(jié)構(gòu)，如介電彈性體驅(qū)動(dòng)器、電致液壓軟驅(qū)動(dòng)器和離子聚合物-金屬復(fù)合材料，提供了柔軟、靈活且輕量的替代方案。介電彈性體驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)大應(yīng)變和寬帶寬工作，電致液壓軟驅(qū)動(dòng)器能輸出巨大的力，而離子聚合物-金屬復(fù)合材料則可在低電壓下工作，安全性高。這些結(jié)構(gòu)各自在力、位移、速度或電壓需求上存在不同的權(quán)衡。

圖4 | 選定可變形結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)。 展示了流體驅(qū)動(dòng)聚合物結(jié)構(gòu)（a部分）、電磁結(jié)構(gòu)（b部分）、介電彈性體驅(qū)動(dòng)器（c部分）、電致液壓軟驅(qū)動(dòng)器（d部分）和離子聚合物-金屬復(fù)合材料（e部分）的變形原理、觸覺反饋應(yīng)用及評(píng)估指標(biāo)。

這些可變形材料與結(jié)構(gòu)的進(jìn)步，正在推動(dòng)觸覺反饋應(yīng)用從簡(jiǎn)單提示向沉浸式體驗(yàn)演進(jìn)。根據(jù)反饋的復(fù)雜度和真實(shí)感，可將其分為基本、增強(qiáng)和沉浸三個(gè)層級(jí)?；痉答佁峁┖?jiǎn)單明確的信息指示，如設(shè)備狀態(tài)振動(dòng)提示；增強(qiáng)反饋則能提供更豐富、可編程的刺激，用于文本信息觸覺傳達(dá)（如盲文顯示）或遠(yuǎn)程控制（如手術(shù)機(jī)器人），實(shí)現(xiàn)多維度的交互；而沉浸式反饋是最高目標(biāo)，旨在虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等場(chǎng)景中完全復(fù)制真實(shí)世界的觸感，包括紋理、彈性、溫度等多模態(tài)感覺，這對(duì)觸覺設(shè)備的各項(xiàng)性能提出了極致要求。

圖5 | 觸覺反饋設(shè)備應(yīng)用前景圖。 可穿戴觸覺反饋界面利用可變形材料和結(jié)構(gòu)適應(yīng)身體不同部位，并在多個(gè)接觸點(diǎn)分布機(jī)械刺激，提供更自然舒適的反饋體驗(yàn)。觸覺反饋界面提供高性能的多維協(xié)同刺激，以模擬紋理、彈性和多維交互，實(shí)現(xiàn)深度真實(shí)的觸覺感知。圖中示意了從信號(hào)指示、文本傳感到遠(yuǎn)程控制、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等漸進(jìn)式應(yīng)用場(chǎng)景。

展望未來，觸覺系統(tǒng)正從傳統(tǒng)的剛性形態(tài)向柔性可穿戴界面快速演進(jìn)。盡管已經(jīng)在材料和結(jié)構(gòu)上取得了顯著進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)高性能的可穿戴觸覺系統(tǒng)，仍面臨力/變形輸出與柔性/低電壓需求的平衡、粘彈性材料的快速精確驅(qū)動(dòng)、穿戴舒適性與生物相容性、安全性及能效，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的規(guī)?；圃斓忍魬?zhàn)。集成熱反饋等新技術(shù)也將是提升沉浸感的關(guān)鍵。克服這些障礙后，可穿戴可變形觸覺界面有望在醫(yī)療輔助、虛擬娛樂、遠(yuǎn)程操作及社交連接等眾多領(lǐng)域帶來變革性應(yīng)用，最終模糊數(shù)字與物理體驗(yàn)的界限，實(shí)現(xiàn)從增強(qiáng)反饋到真正沉浸式反饋的飛躍，為人機(jī)交互開啟更自然、更直觀的新篇章。