智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 劉柏涵
編輯 | 程茜
智東西10月26日消息，近日，由香港城市大學牽頭的合作研究團隊與騰訊Robotics X機器人實驗室合作，開發了一種可穿戴的觸覺渲染系統。該系統可以模仿觸覺，擁有高空間分辨率和快速響應能力，未來可應用于盲文識別、VR購物與游戲、航天員和其他工作人員的厚手套上。它能夠讓使用者感知更加精細的觸覺，提升使用者的體驗感。
▲電觸覺渲染系統應用實驗
人類的體感系統能夠以毫米級的空間分辨率和亞毫秒級的時間精度感知所觸摸物體的信息，人類的皮膚要比其他的感知系統更加靈敏。目前承載能夠達到與人類體感系統類似精度的觸覺技術的設備，既不便攜又不容易獲得，而這款新型觸覺渲染系統則有效解決了這一問題。
研究團隊在國際學術頂刊Science的子刊Science Advances上發表了名為《Super-resolution wearable electrotactile rendering system（超分辨率可穿戴電觸覺渲染系統）》的論文。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8738
一、電觸覺刺激器反應速度快，但其電壓過高或帶來安全隱患
隨著技術的進步，人們逐漸獲得了視覺和聽覺上的豐富體驗，能夠通過LCD顯示器和OLED顯示器看到真實的圖像，還能通過錄音設備聽到大自然的真實聲音。與視覺和聽覺設備的發展相比，盡管目前已經出現了高分辨率、高靈敏度、高時間精度和多種傳感方式的觸覺傳感器，但人們目前仍然缺少一種能夠真實呈現和記錄皮膚觸覺的可穿戴設備。
現有的觸覺渲染系統可大致分為兩類，即機械刺激系統和電刺激系統。
機械刺激系統的工作原理是機械驅動器通過施加局部的機械力或振動，以引起人體穩定和連續的觸覺感覺。然而，這些機器往往很笨重，在集成到便攜式或可穿戴設備時嚴重限制了觸覺渲染系統的空間分辨率。此外，由于驅動模式的原因，線性馬達和氣動驅動器等機械驅動器的效率較慢，響應時間較長。
相比之下，搭載電觸覺刺激器的設備使用局部電流通過人的皮膚，會刺激電極位置處的皮膚觸感，能夠提供更高的分辨率和更快的反應速度。但它們中的大多數設備依靠高達數百伏的高壓直流脈沖來穿透皮膚最外層的角質層，以刺激感受器和神經，這帶來了安全問題。
二、新系統可高保真呈現各種觸覺，有效性得到驗證
為了解決上述問題，該研究團隊研發了一個搭載新的電觸覺渲染系統的電觸覺刺激器。該電觸覺刺激器中還安裝了連續校準程序，以確保電刺激的程度在用戶的舒適范圍內。
▲電觸覺渲染系統的結構
1、電觸覺刺激引發各種感覺，可模擬真實的人類皮膚觸感
為了模擬自然的觸覺，首先需要了解皮膚有感知的過程。當皮膚受到外力作用而變形時，機械敏感離子通道會被打開，會使機械感受器的體細胞去極化，從而觸發動作電位。動作電位再經過周圍神經束傳播到體感皮層。
▲人類皮膚觸覺感知示意圖
新型的電觸覺刺激器模擬了人體皮膚感受觸覺的過程，它可以高保真地反應不同的觸感，例如壓力、振動和紋理粗糙度等。此外，該刺激器還非常的薄和靈活，可以輕松集成到手指套中。
該團隊不使用直流脈沖，而是開發了一種高頻交流刺激方法，并成功地將電觸覺刺激器的工作電壓降低到30伏以下，能夠確保觸覺渲染安全舒適。
隨著電觸覺刺激的波形、頻率、持續時間和位置發生變化，不同的刺激會誘發人體的各種感覺，包括抖動、撫摸、刺痛和瘙癢等。
▲電觸覺傳感示意圖
2、電極陣列+橡膠指套組成電觸覺裝置，可覆蓋人類觸覺強度范圍
新型的電觸覺裝置由一個電極陣列和一個橡膠指套組成。其中5×5指尖電極陣列由25個半球形的金屬凸塊制成，被集成在一塊很薄的柔性印刷電路上。指尖電觸覺裝置可應用在盲人識字上，讓盲人通過指尖電觸覺裝置感知筆畫的方向和順序來識別電腦等設備呈現出的字母。
此外，由于電極陣列具有高度的靈活性和可擴展性，它還可以覆蓋像手掌這樣的更大區域，可應用在VR世界里，讓用戶的手掌感受到更多的虛擬觸覺。
這兩種電極陣列都和人體皮膚直接接觸，而像應用在航天員和其他人員的厚手套上的電極陣列則安裝在手套外面。
▲5×5指尖電極陣列和橡膠指套
通過一種高頻調制技術，電觸覺刺裝置發出的13至28伏低刺激電壓就足以覆蓋從輕微觸摸到尖銳刺痛之間的觸覺范圍。
此外，研究人員還在電觸覺裝置中加入了一個閉環反饋電路，使他們的觸覺渲染系統能夠快速響應電極陣列上不斷變化的電流，從而呈現出一種穩定的觸感。
該電觸覺裝置能夠顯示出與人類觸覺類似的空間分辨率和更高的刷新率，并能夠涵蓋人類全部的觸覺強度范圍。
▲人類觸覺和電觸覺渲染裝置在空間分辨率、刷新率和強度范圍上的比較
3、渲染系統經過多角度的有效性評估，感受觸覺水平達到新高度
該電觸覺渲染系統的有效性是通過一項用戶研究來評估的。研究團隊邀請了20名志愿者進行觸覺識別試驗，包括對不同強度、粗糙度、紋理和其他復雜的圖案的識別。實驗證明，該電觸覺渲染系統喚起觸覺的能力、對持續時間的精細控制是前所未有的。
三、可應用于盲文、虛擬世界、航天領域
該團隊進行了不同的測試，以展示這種新型電觸覺渲染系統可應用在各種領域。例如，他們提出了一種新的盲文顯示方法，能讓視力受損的人更容易學習。
該方法將字母和數字分解為單獨的筆畫，并將它們以正常的書寫順序進行排列。盲人用戶將新的電觸覺裝置戴在指尖上，可以感知筆畫的方向和順序，以此來識別字母或數字。
領導該研究的楊正寶博士說：“我們的電觸覺渲染系統對晚年失明的人特別有用，可以讓他們繼續使用原來習慣的字母系統進行讀寫，而無需學習整個盲文系統。”
▲盲人寫字實驗
其次，該電觸覺渲染系統非常適合VR/AR頭顯的應用和游戲，它可以加強人們在虛擬世界中的觸覺感受。
該團隊也對其進行了一系列實驗：用戶可以在虛擬時裝店中虛擬感知衣服的質地；當被虛擬貓舔時，用戶還會感受到指尖發癢的感覺；當撫摸虛擬貓的皮毛時，用戶可以感覺到方向、速度和粗糙度的變化。
▲虛擬世界實驗
該團隊成功地將電觸覺渲染系統的電極集成到安全手套上的柔性觸覺傳感器中。這樣觸覺傳感器的電極陣列就可以捕捉手套外部的壓力分布，并通過觸覺刺激器將信息實時傳遞給用戶。
在實驗中，用戶可以根據手套與傳感器、刺激器的觸覺反饋，快速準確地找到一個半徑為1毫米、厚0.44毫米的微型鋼墊圈。該實驗顯示了新的電觸覺渲染系統在實現高保真觸覺感知方面的潛力。未來，這項技術可以應用在航天員、消防員、深海潛水員和其他需要穿厚防護服或手套的人的工作中。
結語：電觸覺渲染系統適用性強，感知精度水平達到新高度
新型的電觸覺渲染系統具有高空間分辨率和快速刷新率，并且在感知精度上也達到了新的高度，或能為以后的觸覺感知系統的研究帶來更多的可能性。
此外，該系統的適用性也很強，未來它或許能促進信息傳輸、娛樂、教育、培訓和遠程操作等領域的發展。
來源：Tech Xplore、Science Advances
