西湖大學(xué)工學(xué)院姜漢卿教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)西北大學(xué)生物電子研究所John Rogers教授團(tuán)隊(duì)、大連理工大學(xué)工程力學(xué)系解兆謙教授團(tuán)隊(duì)以及西北大學(xué)機(jī)械工程系黃永剛教授團(tuán)隊(duì)共同合作研發(fā)了一種新型的多模態(tài)觸覺(jué)模擬方法及智能穿戴裝置，相關(guān)研究工作以“Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution”為題發(fā)表于《Nature》。

人類皮膚中豐富的機(jī)械感受器為信息傳遞和感知提供了多功能界面，研究者們正努力開(kāi)發(fā)快速、可編程的感受器激活系統(tǒng)，以滿足醫(yī)療和多個(gè)關(guān)鍵行業(yè)的迫切需求。然而，集成多種形式力反饋的觸覺(jué)模擬方法是亟待解決的研究難題，開(kāi)發(fā)高度適應(yīng)性和可穿戴性的系統(tǒng)也面臨諸多挑戰(zhàn)。

西湖大學(xué)工學(xué)院姜漢卿實(shí)驗(yàn)室的這一合作研究展示了一種新型的生物彈性觸覺(jué)模擬換能器（transducer），通過(guò)皮膚機(jī)械能量的儲(chǔ)存與恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了高效的多模態(tài)觸覺(jué)模擬及反饋。

用于多模態(tài)觸覺(jué)反饋的生物集成雙穩(wěn)態(tài)換能器陣列

本研究采用了一種創(chuàng)新的生物彈性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制，結(jié)合電磁結(jié)構(gòu)與皮膚的能量?jī)?chǔ)存特性，實(shí)現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的快速切換，開(kāi)發(fā)了一種高效的多模態(tài)觸覺(jué)反饋換能器集成裝置。

換能器機(jī)械表征及皮膚在維持雙穩(wěn)態(tài)中的作用

本研究創(chuàng)新性地對(duì)Kresling 折紙進(jìn)行了曲線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決了折疊過(guò)程中折紙內(nèi)部空間小的難點(diǎn)，從而利用曲線折紙結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及其內(nèi)部的換能器實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮膚的剪切力觸覺(jué)模擬。

曲線折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該研究所集成的換能器陣列能夠?qū)崿F(xiàn)多種觸覺(jué)反饋形式，包括靜態(tài)按壓、動(dòng)態(tài)振動(dòng)以及動(dòng)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)反饋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可有效產(chǎn)生動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的法向力和剪切力觸覺(jué)刺激，傳遞多種刺激組合信息。

換能器的振動(dòng)觸覺(jué)及扭轉(zhuǎn)觸覺(jué)模擬

換能器陣列有效性驗(yàn)證

該研究驗(yàn)證了用戶對(duì)換能器振動(dòng)觸覺(jué)刺激的有效感知，探索了不同扭轉(zhuǎn)角度對(duì)皮膚感知強(qiáng)度的影響，證明了用戶能夠有效地分辨按壓和扭轉(zhuǎn)觸覺(jué)刺激以及分辨多點(diǎn)扭轉(zhuǎn)觸覺(jué)刺激。

振動(dòng)觸覺(jué)刺激及扭轉(zhuǎn)觸覺(jué)刺激的用戶研究

研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)兩種觸覺(jué)模擬單元裝置進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。機(jī)械表征結(jié)果顯示，高度優(yōu)化至2.1毫米（松弛狀態(tài)為4.1毫米）的換能器單元，其在2毫米壓痕下的性能與原始設(shè)計(jì)相當(dāng)，驗(yàn)證了集成裝置小型化的可行性。

兩種觸覺(jué)模擬單元的小型化及有效性

該研究針對(duì)環(huán)境感知反饋、姿勢(shì)平衡改善及腳步定位反饋進(jìn)行了用戶任務(wù)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能反饋裝置能夠?qū)崟r(shí)、有效地幫助視覺(jué)或位置感知障礙人士進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)整。本研究為生物醫(yī)學(xué)和多模態(tài)觸覺(jué)模擬反饋技術(shù)開(kāi)辟了新的視角，展現(xiàn)了在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和虛擬現(xiàn)實(shí)等行業(yè)中的巨大潛力。

多模態(tài)觸覺(jué)模擬系統(tǒng)及應(yīng)用驗(yàn)證

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應(yīng)用案例1：蒙眼受試者利用該智能反饋系統(tǒng)穿越障礙路線的導(dǎo)航策略

應(yīng)用案例2：蒙眼受試者利用該智能反饋系統(tǒng)定位椅子的導(dǎo)航策略

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本研究的第一作者為西北大學(xué)博后Matthew T. Flavin，現(xiàn)任喬治亞理工學(xué)院助理教授，西湖大學(xué)工學(xué)院助理研究員郭增榮為共同第一作者，主要負(fù)責(zé)扭轉(zhuǎn)觸覺(jué)模擬研究及相關(guān)工作，姜漢卿團(tuán)隊(duì)的科研助理黃毅等也參與到項(xiàng)目中。西北大學(xué)John Rogers教授、西湖大學(xué)姜漢卿教授、大連理工大學(xué)解兆謙教授及西北大學(xué)黃永剛教授，為本研究共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)項(xiàng)目支持，以及西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心和西湖教育基金的資助支持。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-9

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