智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 刘柏涵
编辑 | 程茜

智东西10月26日消息，近日，由香港城市大学牵头的合作研究团队与腾讯Robotics X机器人实验室合作，开发了一种可穿戴的触觉渲染系统。该系统可以模仿触觉，拥有高空间分辨率和快速响应能力，未来可应用于盲文识别、VR购物与游戏、航天员和其他工作人员的厚手套上。它能够让使用者感知更加精细的触觉，提升使用者的体验感。

▲电触觉渲染系统应用实验

人类的体感系统能够以毫米级的空间分辨率和亚毫秒级的时间精度感知所触摸物体的信息，人类的皮肤要比其他的感知系统更加灵敏。目前承载能够达到与人类体感系统类似精度的触觉技术的设备，既不便携又不容易获得，而这款新型触觉渲染系统则有效解决了这一问题。

研究团队在国际学术顶刊Science的子刊Science Advances上发表了名为《Super-resolution wearable electrotactile rendering system（超分辨率可穿戴电触觉渲染系统）》的论文。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8738

一、电触觉刺激器反应速度快，但其电压过高或带来安全隐患

随着技术的进步，人们逐渐获得了视觉和听觉上的丰富体验，能够通过LCD显示器和OLED显示器看到真实的图像，还能通过录音设备听到大自然的真实声音。与视觉和听觉设备的发展相比，尽管目前已经出现了高分辨率、高灵敏度、高时间精度和多种传感方式的触觉传感器，但人们目前仍然缺少一种能够真实呈现和记录皮肤触觉的可穿戴设备。

现有的触觉渲染系统可大致分为两类，即机械刺激系统和电刺激系统。

机械刺激系统的工作原理是机械驱动器通过施加局部的机械力或振动，以引起人体稳定和连续的触觉感觉。然而，这些机器往往很笨重，在集成到便携式或可穿戴设备时严重限制了触觉渲染系统的空间分辨率。此外，由于驱动模式的原因，线性马达和气动驱动器等机械驱动器的效率较慢，响应时间较长。

相比之下，搭载电触觉刺激器的设备使用局部电流通过人的皮肤，会刺激电极位置处的皮肤触感，能够提供更高的分辨率和更快的反应速度。但它们中的大多数设备依靠高达数百伏的高压直流脉冲来穿透皮肤最外层的角质层，以刺激感受器和神经，这带来了安全问题。

二、新系统可高保真呈现各种触觉，有效性得到验证

为了解决上述问题，该研究团队研发了一个搭载新的电触觉渲染系统的电触觉刺激器。该电触觉刺激器中还安装了连续校准程序，以确保电刺激的程度在用户的舒适范围内。

▲电触觉渲染系统的结构

1、电触觉刺激引发各种感觉，可模拟真实的人类皮肤触感

为了模拟自然的触觉，首先需要了解皮肤有感知的过程。当皮肤受到外力作用而变形时，机械敏感离子通道会被打开，会使机械感受器的体细胞去极化，从而触发动作电位。动作电位再经过周围神经束传播到体感皮层。

▲人类皮肤触觉感知示意图

新型的电触觉刺激器模拟了人体皮肤感受触觉的过程，它可以高保真地反应不同的触感，例如压力、振动和纹理粗糙度等。此外，该刺激器还非常的薄和灵活，可以轻松集成到手指套中。

该团队不使用直流脉冲，而是开发了一种高频交流刺激方法，并成功地将电触觉刺激器的工作电压降低到30伏以下，能够确保触觉渲染安全舒适。

随着电触觉刺激的波形、频率、持续时间和位置发生变化，不同的刺激会诱发人体的各种感觉，包括抖动、抚摸、刺痛和瘙痒等。

▲电触觉传感示意图

2、电极阵列+橡胶指套组成电触觉装置，可覆盖人类触觉强度范围

新型的电触觉装置由一个电极阵列和一个橡胶指套组成。其中5×5指尖电极阵列由25个半球形的金属凸块制成，被集成在一块很薄的柔性印刷电路上。指尖电触觉装置可应用在盲人识字上，让盲人通过指尖电触觉装置感知笔画的方向和顺序来识别电脑等设备呈现出的字母。

此外，由于电极阵列具有高度的灵活性和可扩展性，它还可以覆盖像手掌这样的更大区域，可应用在VR世界里，让用户的手掌感受到更多的虚拟触觉。

这两种电极阵列都和人体皮肤直接接触，而像应用在航天员和其他人员的厚手套上的电极阵列则安装在手套外面。

▲5×5指尖电极阵列和橡胶指套

通过一种高频调制技术，电触觉刺装置发出的13至28伏低刺激电压就足以覆盖从轻微触摸到尖锐刺痛之间的触觉范围。

此外，研究人员还在电触觉装置中加入了一个闭环反馈电路，使他们的触觉渲染系统能够快速响应电极阵列上不断变化的电流，从而呈现出一种稳定的触感。

该电触觉装置能够显示出与人类触觉类似的空间分辨率和更高的刷新率，并能够涵盖人类全部的触觉强度范围。

▲人类触觉和电触觉渲染装置在空间分辨率、刷新率和强度范围上的比较

3、渲染系统经过多角度的有效性评估，感受触觉水平达到新高度

该电触觉渲染系统的有效性是通过一项用户研究来评估的。研究团队邀请了20名志愿者进行触觉识别试验，包括对不同强度、粗糙度、纹理和其他复杂的图案的识别。实验证明，该电触觉渲染系统唤起触觉的能力、对持续时间的精细控制是前所未有的。

三、可应用于盲文、虚拟世界、航天领域

该团队进行了不同的测试，以展示这种新型电触觉渲染系统可应用在各种领域。例如，他们提出了一种新的盲文显示方法，能让视力受损的人更容易学习。

该方法将字母和数字分解为单独的笔画，并将它们以正常的书写顺序进行排列。盲人用户将新的电触觉装置戴在指尖上，可以感知笔画的方向和顺序，以此来识别字母或数字。

领导该研究的杨正宝博士说：“我们的电触觉渲染系统对晚年失明的人特别有用，可以让他们继续使用原来习惯的字母系统进行读写，而无需学习整个盲文系统。”

▲盲人写字实验

其次，该电触觉渲染系统非常适合VR/AR头显的应用和游戏，它可以加强人们在虚拟世界中的触觉感受。

该团队也对其进行了一系列实验：用户可以在虚拟时装店中虚拟感知衣服的质地；当被虚拟猫舔时，用户还会感受到指尖发痒的感觉；当抚摸虚拟猫的皮毛时，用户可以感觉到方向、速度和粗糙度的变化。

▲虚拟世界实验

该团队成功地将电触觉渲染系统的电极集成到安全手套上的柔性触觉传感器中。这样触觉传感器的电极阵列就可以捕捉手套外部的压力分布，并通过触觉刺激器将信息实时传递给用户。

在实验中，用户可以根据手套与传感器、刺激器的触觉反馈，快速准确地找到一个半径为1毫米、厚0.44毫米的微型钢垫圈。该实验显示了新的电触觉渲染系统在实现高保真触觉感知方面的潜力。未来，这项技术可以应用在航天员、消防员、深海潜水员和其他需要穿厚防护服或手套的人的工作中。

结语：电触觉渲染系统适用性强，感知精度水平达到新高度

新型的电触觉渲染系统具有高空间分辨率和快速刷新率，并且在感知精度上也达到了新的高度，或能为以后的触觉感知系统的研究带来更多的可能性。

此外，该系统的适用性也很强，未来它或许能促进信息传输、娱乐、教育、培训和远程操作等领域的发展。

来源：Tech Xplore、Science Advances