厦门大学廖新勤《自然·通讯》：给手势加上语境

在从虚拟现实的沉浸式体验到智能假肢的精密操控世界里，一个长期困扰人机交互领域的问题正在悄悄限制着技术的上限：电子皮肤如何像人类一样，在剧烈的肢体运动中依然保持对微小触觉的敏锐感知？人类的体感系统天生具备双线并行的能力——本体感受告诉我们肢体在哪，触觉告诉我们碰到了什么，两者在大脑中交织，构成了我们对动作上下文（Context）的理解。然而，现有的人造电子皮肤往往不仅厚重，更面临着严重的信号串扰：肢体弯曲产生的巨大拉伸信号往往会淹没指尖微弱的接触信号，或者被误判为按压。这种听不懂话的尴尬，使得机器难以判断一个握拳动作究竟是单纯的用力，还是为了抓取某个物体。这一长期困境迫切需要全新的解决思路。

在此，厦门大学廖新勤团队 联合南洋理工大学郑元谨教授及北京科技大学廖庆亮教授，提出了一个令人意想不到的答案：利用超保形双模态电子皮肤（HDM metaskin）来物理性地解耦本体感受与触觉。研究显示，通过独特的纳米复合材料与超薄亲水基底设计，这款厚度仅10微米的电子皮肤能像第二层皮肤一样嵌入指纹深处。更绝妙的是，它利用信号极性的相反趋势——拉伸使电阻升高，触摸使电阻降低——在单根数据通道内就完成了复杂意图的清晰编码。这种给手势加语境的策略，不仅让机器人在无视觉辅助下实现了基于姿态的自适应导航，还创造了一种仅凭双指微动就能实现键盘和鼠标操纵。一个小小的超薄薄膜，被团队变成了跨越物理世界与数字意图的高精度上下文接口。相关成果以“A hyperconformal dual-modal metaskin for well-defined and high-precision contextual interactions”为题发表在《Nature Communications》上。

无感皮肤：物理级的信号解耦与重构

在图1与图2中，作者展示了这种HDM metaskin如何像“隐形外挂”一样工作：得益于“无应变转移”策略，预先打印好的银纳米复合导电网络被无损地转移至皮肤表面，其10微米的厚度不仅消除了佩戴异物感，更极大地降低了界面机械损耗。真正的“魔法”在于其信号机制：传统的传感器往往因为应变与压力的信号同向而混淆，而HDM metaskin在被拉伸时，导电网络中的微裂纹扩展导致电阻大幅上升（本体感受主导）；而当手指触碰物体时，并联导电通路的引入则使电阻线性下降（触觉主导）。这种物理层面上截然相反的信号极性，使得系统无需复杂的传感器阵列，仅凭单通道数据就能利用时序差分算法，精准地将“肢体在做什么”（姿态）与“手指碰到了什么”（触觉）剥离出来。这意味着，电子皮肤终于拥有了区分背景与指令的能力。

图1 模拟人类感知功能的超保形双模态超肤

图2 HDM metaskin的制备与转印

什么是“上下文”？让机器读懂姿态中的深意

图3与图4揭示了这项技术的核心思想：上下文交互（Contextual Interaction）。通俗来说，上下文就是决定动作具体含义的语境：就像同一个单词在不同句子里代表不同意思，一个简单的触碰，在手腕伸直或弯曲时，应该代表截然不同的指令。研究团队通过实验证明，即便在剧烈的肢体拉伸下，该器件对触摸位置的解耦预测误差仍小于2.6%。这赋予了机器一种类似于人类直觉的逻辑：系统不再是机械地记录数据，而是先通过本体感受信号确定当前的操作模式，再通过触觉信号触发具体的执行动作。这种机制完美解决了传统传感器在运动中“由于信号淹没而失灵”的痛点，让电子皮肤从被动的传感器进化为主动的意图理解者。

图3 应变感知与触摸定位感知的明确信号

图4 HDM metaskin 的皮肤上性能

从“空气击鼓”到“无感打字”：多场景的交互革命

图5与图6展示了这种上下文感知在实际应用中的惊人潜力。在“空气击鼓”演示中，面对极其相似的手腕挥动动作，传统的运动传感器往往无法区分用户是想敲击小军鼓还是手鼓。而HDM metaskin通过感知手指对鼓棒的抓握姿态（Context），精准定义了乐器种类，再结合手腕动作触发鼓声，识别准确率超过90%。在机器人控制场景中，手腕的弯曲角度被定义为机器人的行走地形模式（如平地或跨越障碍），而指尖的触控则负责导向，实现了行云流水般的直觉操控。更令人印象深刻的是Bi-code输入法：用户无需敲击巨大的键盘，只需通过两根手指的伸缩（定义字符集上下文）配合轻微的触碰（选定字符），就能在极小的空间内实现键盘输入和鼠标操作。这种交互方式为残障人士辅助设备、AR/VR隐形控制以及野外便携操作提供了全新的想象空间。

图5 基于本体感受上下文的导航与操控应用

图6 基于触摸上下文的物体交互

总结与展望

这项工作从一张看似普通的超薄薄膜出发，将其发展为一种可量化、高精度、具备逻辑理解能力的双模态感知系统。它不依赖笨重的多通道硬件，却能通过物理机理的创新解决最棘手的信号串扰问题。HDM metaskin让机器人的触觉更智能，让虚拟现实的交互更自然，也为未来的具身智能提供了一种读懂人类潜台词的可能。未来，这种基于上下文的机械智能感知还可能被推广到软体机器人感知、智能假肢反馈乃至元宇宙的全身交互中。一层薄薄的膜，正在悄然开启自然人机交互的新纪元。

论文链接：

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