Science | 完全運動自由度的執行器作為高級觸覺接口

關注“醫工學人”，第一時間獲取醫工交叉領域新聞動態~

美國西北大學John A. Rogers院士聯合黃永剛院士團隊介紹了一種小型執行器技術，可以向皮膚表面施加全方位、可疊加、動態的力，從而刺激單一類別的機械感受器或它們的選定組合。通過這種技術，可以實現高位觸覺信息傳輸和逼真的虛擬觸覺體驗。通過在人類受試者的感知研究中，展示了在擴展現實應用中的具體效果，包括先進的手部導航、逼真的紋理重現以及音樂感知的感覺替代。

觸覺是我們感知物理環境的重要方式，它幫助我們識別物體、操作物品并加強社交互動。觸覺來自皮膚中的機械感受器，這些感受器廣泛分布在皮膚的各個區域，通過神經纖維的末端傳遞刺激信號。最近的研究集中在開發能夠快速、可編程地產生觸覺感覺的系統，這些系統能夠通過薄型、靈活的設備與皮膚的大面積接觸，不僅限于指尖。這些技術結合了視覺和聽覺系統，能夠在擴展現實（XR）應用中提供沉浸式體驗，廣泛應用于娛樂、社交、醫療和物理康復等領域。結合傳感器和執行器的技術，還能夠為遠程操作和醫療提供閉環反饋，特別是對于截肢者或視聽障礙者，可以補充和增強他們的感官功能。然而，目前一些現有的技術由于設備體積大、質量重、附著位置有限，且難以分布成可編程陣列，難以滿足沉浸式XR體驗的需求。

本文介紹了一種無線實時觸覺界面技術，能夠在皮膚表面生成可編程的變形，具有完全的運動自由度。該技術通過使用一組可單獨控制的線圈來產生磁場，以滿足皮膚上所有受體的激活需求。每個執行器利用洛倫茲力與固定磁鐵的相互作用來操作，這些磁鐵與皮膚接觸，從而實現觸覺刺激（圖1A）。這種方法可以產生正常、剪切、扭轉和振動等不同類型的機械刺激，激活皮膚上的不同類型的機械感受器，達到高精度的觸覺反饋。通過這種技術，作者能夠在不影響皮膚的情況下，針對每種受體進行精確的刺激。執行器設計包括多個不同尺寸的線圈和傳感器，利用磁場和電流的變化來控制刺激的方向和強度（圖1B）。此外，整個系統通過藍牙低功耗電子系統和可充電電池實現無線連接，使得該觸覺系統能夠與便攜式XR設備（如智能眼鏡、虛擬現實頭盔和智能手機）進行協調操作（圖1D、E）。

圖1 具有完整 FOM 執行器的多感覺觸覺接口

FOM執行器不僅能再現日常觸覺體驗，還能夠通過編程激活皮膚中的機械感受器來傳遞信息。研究表明，觸覺刺激的方向、頻率、強度、節奏和位置等參數結合在一起，可以顯著增強信息傳遞。觸覺界面能夠為視力受限者提供導航或其他輸入，作為一種輔助感知系統，不會干擾他們的主要聽覺功能。佩戴智能眼鏡的人通過背部的FOM執行器引導，成功抓取瓶子和格蘭諾拉棒（圖2A）。智能眼鏡與手機共享視圖，手機識別手部和目標物體的位置，并向FOM執行器發送命令。當視覺數據包括深度信息時，導航系統能提供更詳細的指導。根據手的位置，相同的命令會產生不同的觸覺刺激，作為感知參考坐標。例如，命令將手向上移動時，對于中立手勢，會產生x方向的正觸覺刺激，而對于掌心朝下的手則轉化為z方向的刺激（圖2B）。執行器中的IMU測量重力加速度，判斷手的姿勢并發出相應的命令（圖2C）。通過這種觸覺導航，個體成功地定位了瓶子和格蘭諾拉棒。FOM執行器能夠再現指尖的真實紋理感知，利用IMU提供的手指運動方向和速度信息（圖2D）。通過摩擦系數和施加的正向力，FOM執行器在指尖表面生成剪切力和振動頻率，從而重現紋理感知（圖2E和圖2F）。在實驗中，受試者能夠在虛擬的垂直和水平撫摸模式下，96%的成功率區分六種不同的表面（圖2G和圖2H）。

圖2 FOM 執行器實現的手部導航系統和逼真的紋理感覺的再現

觸覺界面作為一種替代感知系統，不僅為聽力受損者提供了體驗音樂的機會，還能增強沒有聽力障礙者的音樂體驗（圖3A）。FOM執行器平臺可以將聲音波的頻率和強度轉化為觸覺振動力，進行適當的控制。挑戰之一是再現音色差異，盡管頻率相同，不同樂器的音色不同。FOM執行器通過方向控制，能夠產生不同音質的振動，這是傳統執行器無法做到的。該技術可以使單個FOM執行器再現不同樂器的音樂（圖3B）。具體過程包括使用機器學習算法分離樂器和人聲組件，分析其頻率和強度，并將這些信息轉化為觸覺振動。在示例中，音樂中的人聲、電吉他和鼓被轉化為觸覺振動，測試結果表明，觸覺界面能夠通過單個執行器感知到不同音調的振動，并識別不同樂器（圖3C）。

圖3 替代感知：音樂的觸覺感知

點擊原文可查看演示視頻