西北大学开发微型多向触觉反馈设备，可模拟复杂皮肤触感
通过蓝牙无线接入虚拟现实头显
（映维网Nweon 2025年03月31日）说到触觉反馈，大多数技术都局限于简单的振动。但我们的皮肤布满了可以检测压力、振动、拉伸等的微小传感器。
现在，美国西北大学的工程师们公布了一项可以创造精确动作来模仿复杂感觉的全新技术。
如图所示，当设置在皮肤上面时，这个小巧、轻便的无线设备向任何方向施加力，并产生各种感觉，包括振动、拉伸、压力、滑动和扭曲。另外，它同时可以结合各种感觉，快速或缓慢地操作，以模拟更细微、更真实的触觉。
所述设备由一块小型可充电电池供电，并通过蓝牙无线接入虚拟现实头显。它体积小，效率高，所以可以放置在身体的任何地方，与其他驱动器组合成阵列或集成到当前的可穿戴电子设备中。
研究人员设想，他们的设备最终可以增强虚拟体验，帮助存在视觉障碍的人在环境中导航，为远程医疗访问提供触觉反馈等等。
西北大学的约翰·罗杰斯（John A. Rogers）表示：“几乎所有的触觉致动器都只是触碰皮肤，但皮肤可以接受更复杂的触觉。我们想创造一种可以向任何方向施加力的设备，不仅仅是戳，同时包括推、扭和滑。我们制造了一个微小的驱动器，可以把皮肤推向任何方向。有了它，我们可以用完全可编程的方式精细地控制复杂的触觉。”
近年来，视觉和听觉技术经历了爆炸式的增长。其中，可通过高保真，深度细节环绕立体声扬声器和完全沉浸式虚拟现实头显等设备提供了前所未有的沉浸感。然而，触觉技术大多趋于稳定。即便是最先进的系统都只是提供嗡嗡的振动模式。
这种发展差距很大程度上源于人类触觉的异常复杂性。触觉涉及不同类型的感受器（或传感器），每一种都有自己的灵敏度和反应特征，而它们位于皮肤的不同深度。当感受器受到刺激时，它们会向大脑发送信号，信号将转译成触觉。
复制这种复杂性和细微差别需要精确控制传递到皮肤的刺激的类型、大小和时间。这提出了一个巨大的挑战。
西北大学的爱德华·高尔洁（J. Edward Colgate）指出：“触觉技术在丰富性和真实感方面落后于视频和音频的部分原因是皮肤变形的机制非常复杂。皮肤拉伸可以缓慢或快速地发生，并且可以在整个表面以复杂的模式发生，例如整个手掌。”
为了模拟这种复杂性，美国西北大学的团队开发了第一个具有完全运动自由（FOM）的致动器。这意味着致动器不受限于单一类型的运动或有限的运动集。相反，它可以沿着皮肤的各个方向移动和施加力。这使得皮肤的所有感受器相互作用，无论是单独的还是相互结合的。
这个具有完全完全自由度的致动器是一个小型、紧凑的触觉设备，可以戳或拉伸皮肤，操作速度或慢或快，并可用于阵列。
所述装置的尺寸只有数毫米，它利用一个微小的磁铁和一组线圈，以嵌套的方式排列。当电流流过线圈时，就会产生磁场。当磁场与磁铁相互作用时，它会产生足够强大的力来移动、推、拉或扭曲。通过将致动器组合成阵列，它们可以重现捏、拉伸、挤压和敲击的感觉。
团队指出：“实现紧凑的设计和强大的力输出至关重要。我们团队开发了计算和分析模型以确定最佳设计，确保每种模式产生最大的力分量，同时最大限度地减少不必要的力或扭矩。”
在设备的另一侧，团队增加了一个加速度计，使其能够测量其在空间中的方向。有了相关信息，系统可以根据用户的环境提供触觉反馈。例如，如果致动器在手上，加速度计可以检测用户的手是掌心向上还是掌心向下。加速器同时可以追踪致动器的运动，提供有关其速度、加速度和旋转的信息。
相关论文：Full freedom-of-motion actuators as advanced haptic interfaces
除了复制日常的触觉体验，所述平台同时可以通过皮肤传递信息。例如，通过改变触觉反馈的频率、强度和节奏，团队将音乐的声音转化为物理触碰。他们同时能够通过改变振动的方向来改变音调，从而帮助用户区分不同的乐器。
