韩美研究团队开发超薄高功率触觉贴片，提升VR触觉反馈真实感
在虚拟现实中提供身临其境的触碰体验，并促进各种应用中用户之间的触觉交流
（映维网Nweon 2025年04月01日）可穿戴触觉界面可以增强虚拟现实/增强现实系统中的沉浸式体验，并通过向皮肤添加触觉刺激以及传递给用户的视觉和听觉信息。
在一项研究中，韩国科学技术院、韩国电子通信研究院和美国加州大学团队介绍了一种扁平锥形介电弹性体致动器（Flat Cone Dielectric Elastomer Actuator/FCDEA）阵列。它薄而柔软，能够根据皮肤上大面积的电压信号产生时空可调的大动静力。
通过将FCDEA阵列集成到微传感器阵列中，可以实现可穿戴无线通信触觉贴片。团队指出，开发的触觉贴片允许用户在与皮肤保持保形接触的同时实时交流触觉信息。触觉贴片同时可以响应FCDEA阵列的局部振动来表达三维结构的拓扑结构和渲染虚拟对象的纹理。
研究人员表示：“我们期望开发的触觉贴片能够在虚拟现实中提供身临其境的触碰体验，并促进各种应用中用户之间的触觉交流。”
允许用户在虚拟世界中进行交互的AR/VR技术正广泛用于各种用例，如娱乐、教育、医疗、培训和康复。然而，仅允许视听反馈而不提供物理交互的VR/AR场景在提供真实体验方面存在局限性。与视听信息相关联的触觉反馈是用户与虚拟环境进行更沉浸式交互的不可或缺的方式。
在触觉刺激策略中，介电弹性体致动器DEA由于其快速的变形响应而受到了极大的关注，它可以在柔软和轻量化的设计中产生宽频率范围的振动。多层DEA可以在0到500赫兹的宽频带内产生触觉。
手指可穿戴设备将多层DEA接到电池和光电二极管，展示了通过触觉探索识别手指方向和位置的能力。在虚拟环境中，集成在塑料外壳中的单个液压耦合DEA可将触碰柔软物体的触觉传递到指尖。
尽管大多数现有的DEA具有出色的驱动速度，并为皮肤集成触觉界面提供合适的柔软度，但它们缺乏克服皮肤在宽频带的阻尼效应所需的输出力。另外，缺乏触觉感知能力使得基于DEA的可穿戴触觉界面除了提供触觉反馈之外，难以实现用户之间或用户与虚拟角色之间的触觉交流。
针对这个问题，，韩国科学技术院、韩国电子通信研究院和美国加州大学团队介绍了一种扁平锥形介电弹性体致动器（Flat Cone Dielectric Elastomer Actuator/FCDEA）阵列。
它薄而柔软，可以通过响应电压信号的单个活动区域的可编程面外变形，在宽频带产生大的时空模式无线触觉反馈，从而实现无线触觉通信。
所提出的FCDEA由多层DEA膜和由螺旋挠曲构成的压缩弹簧组成。弹簧将静电压力引起的多层DEA的面积膨胀转化为线性变形。通过利用薄压缩弹簧的弹性恢复力，FCDEA以极薄的外形（1.1 mm）产生高驱动应变（>77%），同时表现出比其他DEA更高的功率密度（2.09 kW/kg）。
在250 ~ 320 hz范围内，指尖的力和位移的最小感知阈值在准静态刺激下分别约为15 mN和10 μm，在振动触觉刺激下分别约为1.7 mN和1.7 μm（12,36,37）。
为了确保在广泛的用户范围内容易感知到触觉，触觉致动器应超过阈值至少10倍（20 dB）（12）。与所述要求相比，FCDEA产生的力（0.1 Hz时为323 mN， 280 Hz时为2.2 N）和位移（0.1 Hz时为849 μm， 280 Hz时为310 μm）非常大。
另外，FCDEA具有类似于人类指尖皮肤的机械阻抗，这有利于优化能量效率和自然触觉交互（38）。
研究人员在一个6毫米间距的柔性印刷电路板集成了密集的FCDEA阵列，并凭借其灵活性和薄的外形因素可以与皮肤进行保形接触。同时，触觉传感是通过集成反射微传感器阵列和FCDEA阵列来实现。
集成触觉贴片通过对触觉信息进行编码，可再现手部的触觉感受，实现虚拟现实环境中或用户之间的双向无线触觉交流。
研究人员指出，现有的触觉界面由于触觉致动器在空间分辨率高、致动应变和输出功率大、功耗低、工作频率范围（0 ~ 500 Hz）等方面的限制，无法真实地传递真实的触觉。
为了满足可穿戴触觉界面的苛刻要求，团队引入了一种由多层DEA膜和压缩弹簧组成的FCDEA，如图所示。
这种设计结合了DEA膜的大面积应变和压缩弹簧高弹性的优点，可允许产生大的面外变形。压缩弹簧需要有一个薄的形状因子，以最大化FCDEA的驱动应变。同时，为了提高输出力和输出功率，需要对DEA膜进行多层叠加。与其他软致动器相比，所提出的FCDEA具有更高的致动应变和功率密度（功率重量比）。
FCDEA紧凑的尺寸和薄的外形使其有望用于可穿戴触觉界面，特别是在密集阵列中，如图1d所示。微传感器阵列与FCDEA的集成允许用户感知触觉信息并将其传递给另一个用户。
为了促进与皮肤的紧密和保形接触，致动器和传感器阵列都集成到一个柔性PCB中。一旦接触，由于能够在宽频率范围内（0.1至500 Hz）产生大的输出力，FCDEA可以向用户提供局部压力和振动反馈。
研究人员指出，所提出的FCDEA阵列可以向用户表达静态和动态信息。另外，触觉贴片由用于触觉反馈的FCDEA阵列和用于触觉感知的微光传感器阵列组成。
为了制造FCDEA阵列，团队制备了一个厚度为80 μm的柔性薄PCB，内部有9个孔（直径为4 mm，间距为6 mm）。与FCDEA单元的制造类似，DE （3M VHB 4905）预拉伸，并使用图案掩膜将碳纳米管涂在其上。
为了获得可靠的电互连，使用溅射涂层机在碳纳米管电极连接区域溅射一层30nm厚的金层。过程重复6次以形成堆叠的DEA。将DEA堆叠后，穿刺DEA电极连接区域并用导电环氧银填充孔。
一层薄薄的柔性层由聚酰亚胺制成，有9个孔，附着在堆叠的DEA之上。将多层DEA阵列与制备的压缩弹簧阵列相结合，以完成FCDEA阵列的制作。传感器阵列是通过在柔性PCB焊接9个Omron EE-SY199显微传感器来制备的。用500 μm厚的间隔片（3M VHB 4905）将FCDEA与传感器阵列结合，从而制成触觉贴片。
相关论文：Skin-attached haptic patch for versatile and augmented tactile interaction
总的来说，团队介绍了一种薄而柔软的触觉贴片。贴片以保形附着在皮肤之上，并通过利用密集的薄软FCDEA阵列向大面积区域提供触觉反馈。
与以往的触觉致动器相比，所提出的FCDEA具有灵活性、高致动应变、高输出功率密度、快速响应时间、重量轻、外形薄等特点。所提出的触觉贴片可以通过传递虚拟对象的接触几何形状或纹理来增强VR和AR应用中的沉浸式体验。
通过将FCDEA与触觉传感器阵列相结合，可以在用户之间或VR/AR环境中通过无线通信对触觉信息进行编码和传输。
在目前的发展阶段，触觉解决方案最具挑战性的问题是使用高压源，但低电流和绝缘层可以确保用户的安全。未来的研究将集中在通过优化DE材料来降低驱动电压，并使用Langmuir-Schaefer方法或移印将DE膜的厚度降低到亚微米级。通过将驱动电压降低到500v以下，可以提高用户的安全性，并且可以实现驱动电子器件的小型化。
另外，由于有机硅在高频下的机械和电气损耗低，通过将DE材料从丙烯酸弹性体替换为有机硅，可以进一步提高输出功率和功耗。团队同时认为，通过使用不需要预拉伸的DE材料，可以进一步减少所提出的FCDEA批次间的差异，从而简化制造过程。
