西湖大学，首篇Nature Sensors！

穿上这件“衣服”，全身感知虚拟世界

与视觉和听觉不同，触觉往往很难被主动忽略。一次突然的碰撞、一只手搭在肩膀上，甚至轻微而持续的按压，都能迅速引起人的注意和本能反应。人体皮肤分布着大量机械感受器，尤其是面积广阔的躯干部位，本可以成为传递复杂信息的重要界面。然而，目前多数可穿戴触觉设备仍集中在手指或局部皮肤，只能提供振动、按压等较单一的反馈；部分设备还依赖刚性结构或皮肤黏附，不仅覆盖范围有限，长时间佩戴也容易产生不适。此外，持续维持压力通常需要不断供能，进一步限制了触觉技术在全身交互和日常穿戴中的应用。

近日，西湖大学姜汉卿教授团队开发出一种可直接集成到服装中的双稳态软气动触觉纺织界面。该系统将弹性双稳态薄壳与柔性气动织物腔体结合，可在人体表面产生撞击、振动、按压和滑动等多种触觉效果，单个执行器的瞬时作用力可达约14 N。通过阵列化排布和时空编程，研究人员进一步把普通马甲变成了一块可编程的“全身触觉屏幕”，不仅能够增强虚拟现实中的临场感，还可以将视觉环境信息转化为身体能够直接感知的触觉指令。相关成果以“Bistable haptic textiles for immersive somatosensory augmentation and sensory substitution”为题发表在Nature Sensors上。

研究团队首先展示了这套触觉纺织品的整体构想。日常生活中的轻拍、撞击、振动和划过皮肤的感觉，都可以由同一种织物执行器模拟出来（图1a）。它看起来像一个嵌入衣物的小型织物方块，内部却隐藏着能够在两种形态之间快速翻转的双稳态金属薄壳。执行器不仅可以单独使用，还能组成3×3阵列，进一步贴合手臂或集成到马甲前后区域（图1b—d）。这种设计的意义在于，它没有把触觉反馈局限在手指，而是把面积更大的躯干变成信息载体。当虚拟人物拍打用户肩膀时，相应位置可以产生连续振动；当虚拟物体撞击身体时，执行器则输出快速冲击。另一方面，阵列中不同位置依次启动，还能在皮肤上形成具有方向性的“滑动路线”，告诉用户向右转、向上走等信息（图1e、f）。换句话说，这件衣服既能复制现实中的触摸，也能创造一套新的身体语言。

图1：双稳态触觉纺织界面的总体设计，可模拟轻拍、冲击、振动和滑动，并集成到手臂贴合装置及全身触觉马甲中，用于虚拟触觉复制和导航信息替代。

实现这些不同触感的关键，是柔软气囊与双稳态薄壳之间的协同。单个执行器由多层织物构成，中心是一片经过热处理和机械压制的曲面铜壳，其上下分别布置两组相互垂直的气动腔体（图2a）。双稳态薄壳拥有两个无需持续外力即可保持的稳定形态，就像按压弹簧片时突然发生的“啪嗒”翻转：只有当输入能量超过势垒，薄壳才会从一个状态迅速跃迁到另一个状态（图2c—e）。通过改变四个气囊的充气顺序，同一个执行器便可输出三类明显不同的触觉模式（图2b）。在冲击模式下，上层气囊逐渐储存弹性能，当薄壳达到临界状态后瞬间翻转，将能量快速释放到皮肤上。整个冲击过程约为0.5毫秒，峰值力可达到约14 N，产生类似被敲击或撞到的感觉。由于冲击强度主要取决于薄壳储存的弹性能，而不是持续输入的气压，因此完成翻转后不需要继续供气，具有较好的节能潜力。当上下气囊交替驱动时，薄壳可以在两个稳定状态之间往复翻转，产生最高约10 Hz的振动；当下层气囊缓慢充气时，薄壳又会限制气囊向外膨胀，将作用力集中到皮肤上，形成持续而可调的按压。冲击模式强调“快”，按压模式强调“稳”，振动模式则提供周期性刺激，三者组合显著拓展了触觉表达的范围（图2f）。为了控制大面积阵列，团队没有为每个执行器配置独立气路，而是借鉴行列扫描思路设计了气动“与逻辑”。只有某一行和某一列的气囊同时达到压力阈值，交叉位置的双稳态薄壳才会被触发（图2g）。因此，一个6×8阵列原本可能需要96路控制，采用扫描策略后仅需28路。通过连续触发并复位不同位置，触觉还能沿预设路径移动，在皮肤上形成从左到右、由下向上甚至环形旋转的感觉（图2h）。单个执行器的系统响应延迟约44毫秒，马甲阵列约57毫秒，能够满足多数实时交互场景。

图2：触觉执行器的多层结构、双稳态翻转机理及三种主要工作模式。通过行列气路的“与逻辑”控制，实现大规模阵列的独立寻址和连续滑动触觉。

一件触觉衣服是否真正“骗得过”人的感知，还需要从皮肤变形、主观判断和神经反应三个层面验证。研究人员设置了冲击、三种频率的振动以及三种压力的按压，共七种工作模式，并利用三维数字图像相关技术记录模拟皮肤的形变过程（图3a、b）。不同模式产生的形变波形明显不同：冲击具有尖锐而快速的变化，振动表现出周期性起伏，按压则呈现缓慢上升和持续保持。在参与者识别实验中，冲击和振动模式的辨识率整体超过96%，其中1 Hz振动达到100%；按压模式相对更容易混淆，但随着压力增强，识别准确率由76.67%提高至93.33%（图3c）。这说明，动态且强烈的触觉更容易被人体准确分辨，而较温和的持续压力则需要更精细的参数设计。脑电测试进一步揭示了不同触感在神经层面的差异。快速冲击能够引发显著的诱发电位变化，振动产生与输入频率对应的周期性脑电波动，而较柔和的按压没有表现出同样清晰的波形特征（图3d—f）。冲击和振动还明显增强了头皮中央区域的活动，表明这些触觉模式不仅主观上不同，也能在大脑皮层响应中被区分。当多个执行器组成阵列后，身体可以感知的不再只是“哪里被碰了一下”，还包括触觉移动的方向。研究人员用3×3阵列编码了八个空间方向和十种运动轨迹（图3g）。静态位置提示的方向识别率均超过81%，而加入执行器依次启动形成的动态轨迹后，整体识别准确率进一步提高（图3h—k）。相比单个触点，连续滑动轨迹提供了更加完整的时空信息，因此更容易被正确理解，而且这种提升在不同性别参与者之间没有显著差异（图3l）。

图3：不同触觉模式引起的皮肤形变、主观识别和脑电响应，并展示空间方向与动态轨迹信息的识别效果，证明时空连续触觉具有更高的信息传输准确率。

在应用演示中，团队首先让虚拟世界中的接触真正“落到”用户身上。两名身处不同地点的用户可以通过虚拟形象互动：当虚拟人物拍打肩膀时，马甲在对应位置输出2 Hz振动；当虚拟人物拥抱用户时，胸前的冲击模拟头部接触，腰部持续按压则模拟手臂环抱（图4a、b）。在虚拟游戏或训练场景中，被球击中、被手推搡或受到电击，也可以分别转化为冲击、按压和连续振动。更具现实意义的是感觉替代。研究团队将深度相机、树莓派计算模块、无线通信系统和触觉马甲连接起来，使摄像头看到的障碍物距离和方向被实时转换为触觉信息（图4c）。当前方障碍物接近时，马甲振动频率随距离增加；需要转弯或上下楼时，身体表面则出现具有明确方向的滑动轨迹（图4d—f）。在转弯决策任务中，使用传统白手杖的平均完成时间为41.33秒，而使用触觉马甲后缩短至20.25秒，效率提高近一倍（图4h、i）。在狭窄迷宫中，触觉马甲与白手杖的整体表现相当（图4g）；在开放环境的方向选择中，参与者判断准确率达到100%，上下楼识别准确率达到97%（图4j）。这些结果表明，躯干触觉可以成为视觉之外的一条有效信息通道，为视障辅助导航和复杂环境提示提供新的可能。

图4：触觉马甲在虚拟拍肩、拥抱和游戏交互中的感觉复制，以及在迷宫避障、转弯和上下楼场景中的视觉—触觉感觉替代与导航表现。

小结

总体来看，这项研究利用双稳态结构“翻转快、状态可保持”的特点，在柔软织物中实现了兼具高冲击力、多模式反馈和阵列化控制的触觉平台。它不仅让服装能够模拟轻拍、撞击、振动和拥抱，也证明人体躯干可以承担高效的信息编码与解码功能。当前系统主要输出垂直于皮肤的法向力，尚不能在单个执行器上直接产生剪切和扭转等切向触觉。未来若能进一步融合多方向作用力，并改善局部透气性、降低气动和控制系统重量，这类“会触摸、会提醒、会导航”的智能衣物有望从虚拟现实设备走向日常穿戴、康复训练和辅助感知。