荷兰团队研发柔性触觉指环：XR交互准确率达90％，支持多模态纹理模拟
触觉指环
（映维网Nweon 2025年07月03日）XR技术的日益普及推动了对可穿戴触觉反馈技术的需求。然而，大多数现有的可穿戴触觉技术只能在有限的触觉模式下传递感觉。针对这个问题，荷兰代尔夫特理工大学团队介绍了一个柔性触觉指环和数据驱动的渲染方法来产生多模态纹理感觉。
设备集成了气动和液压驱动，以模拟近端指骨的粗糙度、热和柔软度，使用户能够用指尖自然地探索周围环境。渲染方法根据用户的探索行为动态地调整提示。研究人员通过对15名参与者进行用户研究来验证方法，并将指环产生的六种虚拟纹理与真实纹理相匹配，并对他们的感知感觉进行评级。参与者的纹理匹配准确率达到90%。形容词评级证实，指环提供了独特的，感知丰富的刺激。相关发现突出了指环在沉浸式XR应用中的潜力，在不限制物理交互的情况下提供多样化的触觉反馈。
我们对周围环境的触觉体验深刻地塑造了我们对世界的理解。通过触摸，我们可以精确地解释物体的物理特性并操纵物体。但在数字环境中，丰富的触觉交互并不存在。在过去的十年中，可穿戴触觉设备引起了学术界和工业界的特别关注，目标是通过佩戴在身体的机电元件来模拟自然触觉线索。
然而，大多数最先进的可穿戴触觉设备采用类似手套的设计，尽管它们的界面直观，但往往笨重、沉重和限制。相关设计可能会阻碍手部运动，并且由于它们通常覆盖指尖，所以对手指追踪和与环境的自然交互构成挑战。这个问题在混合现实和增强现实应用中尤其严重。
在另一方面，业界提出了柔性触觉装置，并旨在通过更自然地贴合皮肤来提高可穿戴性。其中，基于气动的设备由于其快速响应时间、成本效益和高功率重量比而受到欢迎。尽管气动系统占主导地位，但液压驱动提供了一种替代方案，可提高驱动效率和动态性能。柔性可穿戴设备可以设计成提供广泛的触觉，以增强虚拟交互的自然性和信息丰富性。尽管它们具有显示各种触觉的潜力，但大多数可穿戴触觉设备（无论软硬）只能提供基本的感觉，如离散的力、温度或振动，而不是丰富的纹理体验。
为了实现具有特定感知维度的纹理渲染，设计的触觉设备应该独立地传递振动、压力和热信号。在一项研究中，荷兰代尔夫特理工大学团队提出了一个柔性触觉指环和一个数据驱动的渲染方法来显示多模态纹理。
指环完全由硅胶制成，可以独立地向近端指骨提供振动触觉、压力和热信号，同时允许全手运动和无限制探索（见图1）。设计结合了一个用于热刺激的液压回路和一个用于压力和振动触觉反馈的气动室，两者都是根据用户的探索行为进行选择性控制。
团队通过一项用户研究验证了相关设计和渲染方法，其中15名被试将指环生成的六种虚拟纹理与真实纹理相匹配，并对他们的感知感觉进行评级。
研究人员的目标是通过开发具有以下关键要求的新设备：
灵活、轻便、紧凑的外形便于使用
用户的指尖不受阻碍，实现与物理环境的自然交互
提供多模态触觉刺激的能力，如压力、振动和热，并且与纹理感知有关
同时或独立地传递这些触觉信号的能力
研究人员通过选择完全由硅胶制成的柔性指环来解决第一个和第二个要求。环形设计确保指尖保持畅通，允许自然的手部运动和不受限制的环境探索。同样，通过制造硅胶环，灵活性，轻便性和紧凑性得以最大化，同时允许轻松生产各种尺寸，能够适应不同的手指尺寸。
第三个需求对使用柔性接口提出了一个挑战。热刺激通常是使用热电装置产生，但它们的刚性可能会破坏柔性指环的灵活性。同样，尽管压电致动器可以产生复杂的振动模式，但它们的集成会损害环的柔软特性。所以，研究人员选择了结合液压和气动系统的混合设计来解决相关挑战。液压系统使不同温度的水通过环循环，以提供所需的热刺激。同时，气动系统使环内的腔室膨胀，通过快速膨胀和收缩产生振动信号。
同时，通过调节腔室的膨胀模式，气动系统可以提供压力刺激。这种双驱动方法实现了热反馈和振动反馈，满足了第四个要求，因为这两个系统独立运行，可以同时产生多模态刺激。在设计中，气动腔位于指环的下方，与手指近端指骨的腹侧接触（参见图1b和c）。在与背侧指骨接触的指环上侧放置了形成液压回路部分的薄硅胶管。
团队没有像气动腔那样设计嵌入式液压腔，而是将硅胶管直接插入环上设计的腔中，以最大限度地提高导热性。为了制造这个柔性指环，他们选择了EcoFlex 00-30作为主要材料。它的弹性模量在100 - 125 kPa之间，在人体皮肤的范围内，确保了自然的感觉。这种材料的柔软性、强度和可拉伸性使其成为可穿戴和皮肤附着设备的理想选择。
指环的制造过程涉及多个步骤。首先，3D打印了两个相同的塑料模具，形成了指环的两半。模具由聚乳酸（PLA）制成，设计用于沿其横向平面分裂环，并进一步分为两部分，以方便脱模。团队准备了三种模具，以适应不同的手指尺寸，内径分别为15、18.5和22毫米。他们确保气动腔在所有环尺寸中保持恒定的体积，以显示类似的膨胀特性。
制造过程的下一步是铸造模具。这一步从混合EcoFlex硅橡胶（A部分和B部分）开始。彻底搅拌后，在模具涂上脱模剂以方便脱模，然后倒入混合物，接下来在室温下放置至少四个小时固化。一旦固化，两半粘合使用相同的硅胶混合物。在这个阶段，在两半之间插入一个直径4毫米的硅胶管，允许未来充气室的膨胀。
所有组件的精确对齐对于确保耐用和功能合理的最终产品至关重要。他们同时通过内衬特氟龙胶带来加固插入区域，然后在上面涂上一层固化了17小时的DragonSkin 30。这种有机硅混合物具有较高的杨氏模量，与较薄的特氟龙胶带层相结合可提供防止泄漏或在高压下破裂的结构支撑。在这个过程中，至关重要的是，只在插入处应用新的硅胶混合物，同时确保环的内部部分裸露。这种预防措施保留了致动器的膨胀特性。
在制造过程的最后一步，使用硅-环氧有机硅粘合剂将应变限制织物层应用于环的上、下和外表面。这个过程确保了当空气充满时，只有环的内表面会膨胀，并在密集阵的正面提供局部压力。另外，一个薄的2毫米硅胶管接到液压回路，以提供热线索，嵌入在环的内表面。
相关论文：Generating Multimodal Textures with a Soft Hydro-Pneumatic Haptic Ring
总的来说，团队提出了一种新颖的可穿戴触觉设备和一种渲染方法，目标是提供多模态纹理感觉，同时允许用户使用裸露的手指与他们的物理环境进行交互。这是一个能够独立提供压力、热和振动刺激的柔性、多模态触觉指环。系统已经成功地证明了以高达90%的准确率模拟真实纹理的热、粗糙度和顺应性的能力，有效地在所有三个感知维度呈现不同的线索。所提出的触觉环和渲染方法在未来的应用中具有很大的潜力，特别是在混合现实和增强现实中。
