香港城大于欣格、朱克宁/大连理工解兆谦合作Nature Electronics：开发出一种皮肤集成的多模态触觉界面

北京时间2023年12月1日，香港城市大学于欣格课题组、朱克宁课题组与大连理工大学解兆谦课题组合作，在世界顶级期刊Nature Electronics上在线发表论文：“A skin-integrated multimodal haptic interface for immersive tactile feedback”。该研究发展了一种用于沉浸式触觉反馈的皮肤集成多模态触觉反馈界面，它由包括机械刺激、电刺激和温度刺激在内的多种类型激励器阵列组成，可以通过无线操作为用户提供与真实对象相关的不同类型高时空分辨率的沉浸式触觉反馈。香港城市大学于欣格副教授、朱克宁副教授以及大连理工大学解兆谦教授为该论文共同通讯作者。香港城市大学博士后黄雅、博士研究生周靖昆，香港树仁大学助理教授柯平川、大连理工大学博士研究生郭旭为该论文共同第一作者。

近年来，随着元宇宙相关技术的快速发展，虚拟触觉交互技术也引起国内外研究人员的广泛关注。然而，传统的触觉反馈技术大多由于其复杂且庞大的设备，给用户带来了不小的负担，不仅限制了其移动性也限制了与现实世界的进一步交互。而无线、轻薄的可穿戴设备则提供了自由的移动性，因此在用户与现实世界交互方面具有巨大的潜力。但现有的大多数可穿戴触觉设备只能提供单一类型的触觉反馈，如振动、电刺激等，无法传递丰富的触觉信息。因此，开发一种能提供多模态触觉反馈，并且以皮肤集成形式的触觉界面，对于未来的虚拟现实、增强现实以及混合现实技术的发展，具有广阔的应用前景，同时也是科学和工程领域面临的一个巨大挑战。

图1 用于沉浸式触觉反馈的皮肤集成多模式触觉界面

本工作突破性地开发了一种皮肤集成的多模态触觉界面（图1），它由包括机械刺激、电刺激和温度在内的多种类型激励器阵列组成，通过不同的阵列设计使设备能够紧密地贴合在人体的不同位置，能够无线操作，为用户提供与真实对象相关的不同类型的高时空分辨率的触觉反馈。采用所提出的多模态触觉界面，为用户在虚拟世界里再现真实世界中丰富的触觉信息。

图2 多模态触觉反馈机制

迄今为止，大部分报道的可穿戴触觉反馈界面都集中在通过激励器阵列传输简单的触觉信息。而本工作基于触觉反馈机制，提出了对于人体不同类型的触觉感受器分别进行选择性刺激（图2），进而为用户带来丰富的触觉体验。

图3 纹理的多维标度用户研究

图4 在沉浸式VR应用中使用多模态触觉界面体验与虚拟世界的交互

本研究中的用户实验表明，与现有的设备相比，所提出的设备能够提供更加丰富的触觉信息，给用户带来身临其境的沉浸感（图3，图4）。

总而言之，本研究报道了一种用于沉浸式触觉反馈的皮肤集成多模态触觉反馈界面。该设备通过对皮肤中不同触觉感受器分别进行机械刺激、电刺激和温度刺激，来实现力、纹理和温度的多功能触觉感知。用户实验表明，与真实物体产生的触觉相比，在精细粗糙度、宏观粗糙度、光滑度和温度方面本设备具有较高的保真度。通过增加压力反馈的密度和空间分布，可以进一步改善触摸中硬度的感觉。本设备可以允许用户以更身临其境的方式与虚拟世界进行交互，在娱乐、手术机器人和工业培训方面具有巨大的潜在应用前景。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41928-023-01074-z

来源：高分子科学前沿

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