科学家研发触觉反馈接口，有望用于增强现实和虚拟现实

在当前的触觉反馈领域：电刺激和机械制动器是两条独立的发展路径。

对于电刺激来说，它是通过激活感受神经来使大脑产生触觉，因此真实的触摸变形并没有发生。

人们对于它的研究更多侧重于生物基础方面的研究，比如如何更加准确地激活神经或模拟电生理信号从而让人体产生更真实的触感。

对于机械制动器来说，则是通过设计可变形的交互界面或器件，来模拟皮肤表面触摸真实物体时产生的变形，从而来实现触觉反馈。

人体之所以能感受到丰富的触觉信息，就是因为我们在触碰不同物体的时候可以获得多种维度的信息，它们协同作用可以给予我们丰富的触感。

皮肤的热触感和纹理触感功能，能感受到物体性质的两个维度，当它们结合在一起，可以表达真实材质的丰富信息。其中的纹理触感，能通过电刺激和机械刺激的协同作用而被激活。

同时，电刺激与机械刺激产生的触觉感受，可以相互弥补彼此的短处，将其结合之后会有更好的反馈效果。

因此，为了更加准确地激活人体皮肤产生触觉，一个能够提供多维度触觉信号的反馈界面就显得尤为重要。

对于触觉反馈系统而言，最理想的状态是：要么有可以完美再现并激活神经电信号的电刺激系统；要么有在宏观尺度和微观尺度都能完美模拟皮肤表面的微观结构和受力变化的机械界面。

但是，目前这两个路线的发展都存在明显瓶颈。而将两种刺激方式加以结合，刚好可以实现更好的触觉反馈效果。

近日，一支科研团队打破了这两条路径的壁垒，他们从皮肤触觉传感器的分布规律和神经激活规律出发，提出一个选择性刺激不同触觉感受器的原则。结合两个路径的各自优势，可以实现更加丰富的触觉反馈效果。

基于此原则，他们设计并制备了一种贴皮式多模态触觉反馈接口，它的最大优势在于将多种反馈模式集成在一个器件里面，通过设计合理的激活原则，能给用户提供更加丰富真实的多维度触感。

（来源：Nature Electronics）

对于贴皮式多模态触觉反馈接口来说，它最直接的应用场景就是虚拟现实，也可用于娱乐或办公。

日前，相关论文以《用于沉浸式触觉反馈的贴皮式多模态触觉界面》（）为题发表于 Nature Electronics[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）

香港城市大学博士后黄雅博士、香港城市大学博士生周靖昆先生和柯平川博士、以及大连理工大学博士生郭旭担任共同一作。

香港城市大学教授、香港城市大学教授、大连理工大学教授担任共同通讯作者。

图 | 黄雅（来源：黄雅）

黄雅表示，自己在进入触觉反馈领域的早期，就有做多模态触觉反馈界面的想法。当时，在体验不同的反馈方式之后，发现它们能提供的触感差异很大。

而通过进一步学习人体如何产生触觉的基础生物知识，了解到触觉的产生是一个非常复杂的过程。

那么，大面积高密度的这种传感器布局是否会增加新的感受体验？对于设计触觉反馈界面来说，关键在于理解人体各个部位的触觉分辨率极限，以及反馈器件需要实现的目的。

比如要想区分不同的图形，就需要提高点对点的分辨率。这时，制备密度远高于人体皮肤两点分辨率的制动器，其实并没有很大意义。

但是，对于模拟更加真实材质的触感反馈来说，为了模拟皮肤与不同表面交互过程中微观形貌所导致的皮肤变形，那么交互界面的制动器密度肯定是越高越好。

而对于电刺激来说，目前选择性激活感受神经产生的触感位置，依旧很容易与实际电极位置产生偏移，这是由于有时人类大脑处理感受神经电信号产生的感觉位置，与实际刺激位置存在偏差。

因此，此时再继续提高电极分布密度的意义，就得根据具体目标加以具体考虑。而在现有的触觉反馈器件中，哪些硬件传感器已经被用于模拟人体皮肤上的多种感受？事实上，触觉传感器和触觉反馈是两个不同的概念。

触觉传感器，相当于人机交互界面的入口，是一种采集信号的模块，它通过机器人、人体或其他物体相互之间交互发生的触碰等行为引起传感器输出信号的变化, 然后该输入信号可以用于进一步分析。

一般来说，人们通过传感器来检测真实情况，并根据传感器的信号去获取真实世界的信息。对于传感器的设计来说，柔性电子领域的学者已经开展了大量研究，后来人们发现可以通过材料改性、结构设计等提升传感器的性能。

触觉反馈，则是人机交互界面的一类出口，目的是使人体产生感觉从而传递信息给用户。对于普通人来说，提起触觉反馈可能想到的就是如何能在虚拟现实里面获得真实材料的触感。

举个简单的例子，手机震动也可以作为一种触觉反馈。所以宽泛来讲：任何制动器界面只要能让人体感受到触感，就可以称为触觉反馈。

但是，如果想针对某些特定应用提供合适的触觉反馈，或者选择性地提供不同感受的触觉反馈，甚至模拟一些真实材质的触感，依旧存在一定难度。

在可穿戴界面领域之中，目前针对触觉反馈的研究相对较少。不过近些年随着虚拟现实概念的流行，它正受到越来越多的关注。

而对于本次研发的贴皮式多模态触觉反馈接口来说，未来其还有继续被小型化的可能。

事实上，电刺激电极的小型化十分简单，只需要把电极尺寸减小即可。同时，机械制动器尺寸也可以被减小，但是在同样情况之下所产生的震动强度也会下降。

对于热电模块来说，也可以通过优化加工方式等途径减小尺寸，但是同样会面临温度调控能力下降等问题。总的来说，触觉反馈领域还有很大的发展空间。

单纯从反馈界面来讲，还可以开展材料改性、机械结构优化、神经电生理学等和触觉反馈息息相关的课题。

如果再考虑到后续的应用，那么机器算法、数据处理、甚至用户心理学，也都是值得探索的问题。

参考资料：

1.Huang, Y., Zhou, J., Ke, P.et al. A skin-integrated multimodal haptic interface for immersive tactile feedback. Nat Electron 6, 1020–1031 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01074-z

运营/排版：何晨龙

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