西湖大學(xué)工學(xué)院姜漢卿教授團隊與美國西北大學(xué)生物電子研究所John Rogers教授團隊、大連理工大學(xué)工程力學(xué)系解兆謙教授團隊以及西北大學(xué)機械工程系黃永剛教授團隊共同合作研發(fā)了一種新型的多模態(tài)觸覺模擬方法及智能穿戴裝置，相關(guān)研究工作以“Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution”為題發(fā)表于《Nature》。

人類皮膚中豐富的機械感受器為信息傳遞和感知提供了多功能界面，研究者們正努力開發(fā)快速、可編程的感受器激活系統(tǒng)，以滿足醫(yī)療和多個關(guān)鍵行業(yè)的迫切需求。然而，集成多種形式力反饋的觸覺模擬方法是亟待解決的研究難題，開發(fā)高度適應(yīng)性和可穿戴性的系統(tǒng)也面臨諸多挑戰(zhàn)。

西湖大學(xué)工學(xué)院姜漢卿實驗室的這一合作研究展示了一種新型的生物彈性觸覺模擬換能器（transducer），通過皮膚機械能量的儲存與恢復(fù)，實現(xiàn)了高效的多模態(tài)觸覺模擬及反饋。

用于多模態(tài)觸覺反饋的生物集成雙穩(wěn)態(tài)換能器陣列

本研究采用了一種創(chuàng)新的生物彈性雙穩(wěn)態(tài)機制，結(jié)合電磁結(jié)構(gòu)與皮膚的能量儲存特性，實現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的快速切換，開發(fā)了一種高效的多模態(tài)觸覺反饋換能器集成裝置。

換能器機械表征及皮膚在維持雙穩(wěn)態(tài)中的作用

本研究創(chuàng)新性地對Kresling 折紙進行了曲線結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效解決了折疊過程中折紙內(nèi)部空間小的難點，從而利用曲線折紙結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及其內(nèi)部的換能器實現(xiàn)了對皮膚的剪切力觸覺模擬。

曲線折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計

該研究所集成的換能器陣列能夠?qū)崿F(xiàn)多種觸覺反饋形式，包括靜態(tài)按壓、動態(tài)振動以及動靜態(tài)扭轉(zhuǎn)反饋。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可有效產(chǎn)生動態(tài)與靜態(tài)的法向力和剪切力觸覺刺激，傳遞多種刺激組合信息。

換能器的振動觸覺及扭轉(zhuǎn)觸覺模擬

換能器陣列有效性驗證

該研究驗證了用戶對換能器振動觸覺刺激的有效感知，探索了不同扭轉(zhuǎn)角度對皮膚感知強度的影響，證明了用戶能夠有效地分辨按壓和扭轉(zhuǎn)觸覺刺激以及分辨多點扭轉(zhuǎn)觸覺刺激。

振動觸覺刺激及扭轉(zhuǎn)觸覺刺激的用戶研究

研究團隊還對兩種觸覺模擬單元裝置進行了小型化設(shè)計和驗證。機械表征結(jié)果顯示，高度優(yōu)化至2.1毫米（松弛狀態(tài)為4.1毫米）的換能器單元，其在2毫米壓痕下的性能與原始設(shè)計相當(dāng)，驗證了集成裝置小型化的可行性。

兩種觸覺模擬單元的小型化及有效性

該研究針對環(huán)境感知反饋、姿勢平衡改善及腳步定位反饋進行了用戶任務(wù)測試，實驗結(jié)果表明，該智能反饋裝置能夠?qū)崟r、有效地幫助視覺或位置感知障礙人士進行運動調(diào)整。本研究為生物醫(yī)學(xué)和多模態(tài)觸覺模擬反饋技術(shù)開辟了新的視角，展現(xiàn)了在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和虛擬現(xiàn)實等行業(yè)中的巨大潛力。

多模態(tài)觸覺模擬系統(tǒng)及應(yīng)用驗證

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https://mp.weixin.qq.com/s/0pCi6U5AbyZhOAQezantGw

應(yīng)用案例1：蒙眼受試者利用該智能反饋系統(tǒng)穿越障礙路線的導(dǎo)航策略

應(yīng)用案例2：蒙眼受試者利用該智能反饋系統(tǒng)定位椅子的導(dǎo)航策略

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本研究的第一作者為西北大學(xué)博后Matthew T. Flavin，現(xiàn)任喬治亞理工學(xué)院助理教授，西湖大學(xué)工學(xué)院助理研究員郭增榮為共同第一作者，主要負(fù)責(zé)扭轉(zhuǎn)觸覺模擬研究及相關(guān)工作，姜漢卿團隊的科研助理黃毅等也參與到項目中。西北大學(xué)John Rogers教授、西湖大學(xué)姜漢卿教授、大連理工大學(xué)解兆謙教授及西北大學(xué)黃永剛教授，為本研究共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)項目支持，以及西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心和西湖教育基金的資助支持。

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https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-9

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