上海交大探索触觉单元设计优化：基于多层结构的振动调幅改进
建立了一个改进的弹性模型来描述振动在皮肤中的传播和衰减机制
（映维网Nweon 2025年02月19日）向用户传达信息是人机交互的一个重要方面。振动触觉反馈将信息编码为时空振动来帮助用户感知到触觉。它具有轻量级、可穿戴性和高稳定性等优点，在虚拟现实和医疗保健等领域具有广泛的应用。然而，现有的触觉单元设计缺乏调幅能力，这限制了它们的应用。
在一项研究中，上海交通大学团队从振动调幅的角度对触觉单元进行了优化设计，并建立了一个改进的弹性模型来描述振动在皮肤中的传播和衰减机制。
以其作为基础，研究人员提出了两层次结构设计类型。设计采用了多层排列的各种材料，以放大或衰减振动在结构中传播的振幅。他们进一步搭建了实验平台，以对优化设计的性能进行评价。
沉浸式虚拟现实可以提供各种反馈，包括视觉、听觉和触觉。其中，刺激皮肤的触觉反馈十分重要。
触觉反馈主要包括电触觉反馈振动触觉反馈。电触觉反馈功耗低，噪音小，反应快。然而，皮肤界面阻抗的变化会导致灼烧或疼痛等感觉。相比之下，振动触觉反馈利用振动马达诱导皮肤变形并产生触觉。这种类型的反馈以其紧凑的尺寸，耐磨性和高稳定性而闻名。
如图所示，振动触觉界面包含几个通过柔性电路板（FPCB）连接的电机，并封装在硅壳中。接口采用模块化结构，其中每个模块称为一个触觉单元。然而，现有的触觉单元设计缺乏调幅能力。由于这一限制，振动触觉界面遇到了机械串扰的问题。
一个单元引起的变形不可避免地会扩散到周围区域，导致邻近其他单元的机械感受器做出反应。它会干扰用户识别振动电机数量和位置的能力，从而限制信息的有效传输。
机械串扰问题要求能够快速衰减每个触觉单元外围的振动幅度。研究人员已经调查了皮肤的结构及其对不同频率振动的反应。为了简化分析，他们采用弹性模型研究振动诱发波在皮肤中的传播机理，而为了更准确地捕捉传播和衰减机制，皮肤的粘性特性已纳入弹性模型。
业界建立了修正弹性模型，在线性弹性框架中加入指数项，考虑了材料衰减和几何衰减。为了减轻触觉单元之间的机械串扰，研究人员探索了普通电机的运动特性。偏心旋转质量（ERM）电机具有更大的振幅和更小的尺寸。然而，将多个ERM电机排列在一个近距离阵列中可能导致机械串扰。
基于对皮肤和电机的理解，研究人员提出了各种振动触觉界面的设计。先前报道的设计通过战略性地定向触觉单元来最小化串扰。然而，这种方法是特定于他们的新型触觉单元。
上海交通大学团队采用改进的弹性模型来表征触觉单元引起的振动的传播和衰减机制，从调幅角度出发提出了优化方案。他们通过激光多普勒测振仪（LDV）测试了优化设计的性能，测量了与先前配置相比的振幅变化。
对于所提出设计，当使用Ecoflex 00-10作为第一层的材料，使用Dragon Skin 10 Medium或Dragon Skin 30作为第二层的材料时，与对照组相比，通过各层的振动波的振幅有所减弱。另外，对于多层设计，当Dragon Skin 10 Medium作为第1层，Dragon Skin 30作为第2层时，可以观察到类似的幅度调制效应。
观测结果表明，当第一层的弹性模量低于第二层时，对振动幅值有衰减作用。相反，当第一层的弹性模量高于第二层时，对振动存在放大效应。
对于封装多层设计，当第一层使用Dragon Skin 10 Medium作为材料，第二层使用Ecoflex 00-10作为材料时，通过层后的振动幅值大于对照组。同样，对于嵌入式多层设计，使用Dragon Skin 10 Medium或Dragon Skin 30作为第1层，Ecoflex 00-10作为第2层，结果是与对照组相比振幅放大。
当使用Dragon Skin 10 Medium作为第2层，Dragon Skin 30作为第1层材料时，振幅增加到对照组的187.7%。这一观察结果从另一个角度进一步验证了理论模型的约束。
对于分层结构设计，两层弹性模量差越大，则调幅效果越有效。在封装多层设计中，使用Dragon Skin 10 Medium作为第一层，Dragon Skin 30作为第二层的配置与Ecoflex 00-10为第一层，Dragon Skin 10 Medium为第二层的设置相比具有更低的幅度降低。
另外，当第二层始终是Dragon Skin 30时，以Ecoflex 00-10作为第一层的设置优于以Dragon Skin 10 Medium作为第一层的设置。对于多层设计，当第一层的材料为Dragon Skin 30时，使用Ecoflex 00-10作为第二层的振幅放大效果略好于使用Dragon Skin 10 Medium作为第二层。
所述观测结果表明，两层弹性模量的较大差异导致更有效的振幅调制。相关发现表明，封装多层设计在调幅方面表现出略好的效果。通过采用不同的材料和设计方案，可以放大或减小电机引起的振动幅度。将触觉单元排列成阵列可以在更大的区域内可以提供更强的触觉，或者在更紧凑的结构中减少机械串扰。
相关论文：Optimized Design of A Haptic Unit for Vibrotactile Amplitude Modulation
总的来说，研究人员提出了两种层次结构的触觉单元设计，目的是调制由ERM电机产生的振动幅值。他们建立了改进的弹性模型，将其作为优化设计的基础。另外，团队建立了实验平台，对设计的性能进行了评价，验证了理论模型的正确性。未来的工作包括形成一个基于阵列的振动触觉界面，并证明所述界面在抑制机械串扰方面的有效性。
