1.75毫瓦诱发真实触感!支持远程触摸的“虚拟皮肤”诞生,可与人体集成

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1.75毫瓦诱发真实触感!支持远程触摸的“虚拟皮肤”诞生,可与人体集成
麻省理工科技评论 2019-11-21

2019-11-21

这项研究第一次实现了触觉驱动器阵列与可拉伸近场通信技术的结合,同时实现了能量和控制指令的无线传递。
通信 技术
这项研究第一次实现了触觉驱动器阵列与可拉伸近场通信技术的结合,同时实现了能量和控制指令的无线传递。

孩子想念祖母了,于是在平板电脑视频通话的时候触摸祖母的手臂,另一端佩戴电子皮肤的祖母立即感受到了孩子的抚触。

男子在假肢机械手臂装上电子皮肤,当拿起手机时,顿时有了持握反馈。

游戏玩家在手臂、胸部和背部佩戴电子皮肤之后,当游戏角色受到相应部位打击时,玩家也感同身受。

这些场景已不再是梦想,超越目前已经实现的语音和视频通讯,抚触通讯时代到来了。

1.75毫瓦诱发真实触感!支持远程触摸的“虚拟皮肤”诞生

图 | 一位母亲在电脑屏幕上虚拟抚摸孩子。(来源:美国西北大学)

11 月 21 日,《自然》杂志发表的一项研究报道了一种在皮肤表面的无线触觉反馈界面。这个装置通过机械振动的方式进行通讯,可作为虚拟现实(VR)合成皮肤,可让你与远方的亲友牵手,还能在互联网游戏中感受到队友的拍肩鼓励,当然,这个装置也可用于医学。

文章通讯作者之一、美国西北大学材料科学和生物医学工程教授 John A. Rogers 对 DeepTech 表示,这个研究第一次在人体皮肤上大面积实现了灵活且复杂的虚拟触摸,超越了音频和视频通讯,是 VR/AR(虚拟现实技术和增强现实技术)质的飞跃。

皮肤 VR

1.75毫瓦诱发真实触感!支持远程触摸的“虚拟皮肤”诞生

图 | 这款电子皮肤就像硅和金属造就的千层面。(来源:美国西北大学)

目前的虚拟现实技术大都是通过头戴式显示器、加速度传感器和扬声器作为计算机模拟三维环境的基础,但这些技术缺失了触摸感。要知道,皮肤是我们最大的器官,其中遍布的机械感受器带来的触摸感是我们与世界互动的基础。

此前已经实现的可通信 VR“皮肤”,需要借助紧贴在佩戴者身体上的有线电极,这些电极通过产生振动来刺激感官体验。但事实证明,要找到既能产生让用户反应的合适电压和电流,又不给皮肤造成疼痛或电刺激损伤,绝非易事。

而这款新的皮肤 VR 系统采用了不同的技术路径,它通过嵌入薄而柔软的微型驱动器来传递触感。Rogers 团队长期从事皮肤可穿戴设备的研究,他们将可穿戴设备、微型驱动器等大量组件组合在一起,希望用户能从皮肤得到反馈,而不是此前研究关注的从皮肤中获取信息。

美国西北大学这款装置原型为 15 厘米 x 15 厘米,无需电池和电线,其中有 32 个毫米级微型驱动器,每个驱动器 1.4 克,直径为 12 到 18 毫米,厚度为 2.5 毫米。驱动器嵌入到柔软的硅树脂中,每个驱动器可以独立产生每秒最多 200 次振动的触感。

要让那个这款装置更舒适,那么就需要柔性界面。装置中的驱动器被嵌入到薄而柔软的有机硅聚合物中,无需胶带即可粘附到皮肤上。其通信方式采用近场通信(NFC),这也是我们平时常用的一种电子支付技术。如此成就了一个薄而轻的装置,且可无限期佩戴使用。

Rogers 说,他们已经可以实现通过用户图形界面,可即时调整每个驱动器的频率和幅度。

该装置可以与平板电脑进行无线通讯。当用户在触摸屏界面画出“X”图案时,装置即可在皮肤上实时产生“X”图案的触感。当人们进行远程聊天时,亲友可以通过伸手进行虚拟抚触,其力度可以通过触摸屏界面来设置。

Garrett Anderson 是一名伊拉克战争中失去右臂的陆军老兵,2005 年 10 月 15 日,炸弹碎片削断了他的手臂。他在戴上美国西北大学的装置后,明显感受到了假肢指尖传到手臂的压力。Rogers 认为,经过长时间磨合,大脑会将手臂上的感觉认为是假肢手指的感觉,这相当于重现了手指的触摸感。

灵敏度如何呢?Rogers 告诉 DeepTech,与强有力的“戳”不同,这种触摸是一种轻柔的感觉,因为可编程,驱动器的力度、振幅和频率都是可控、可调的。

文章通讯作者之一、美国西北大学机械工程系教授黄永刚(Yonggang Huang)则表示,基于精巧的力学设计,该装置中激励器仅需要1.75毫瓦的功率就能诱发较强的触感,通常市面现有激励器需要大于100毫瓦的输入功率。

至于舒适性,皮肤接触到贴片装置很舒适。黄永刚介绍,该设备由微型化的可程序化控制的驱动器整列嵌入到柔软轻薄(3毫米)的橡胶材料构成。因此整个装置可轻柔的与人体集成,而不产生如何的约束感,同时可对人体表皮产生明显的触感。正如在《自然》文章中提到的,在社交媒体、游戏娱乐和假肢控制方面,用户都获得了完美的体验。

有望实现全身 VR

1.75毫瓦诱发真实触感!支持远程触摸的“虚拟皮肤”诞生

图 | 触摸显示器上的图像,佩戴电子皮肤的人就会感受到触摸。从黄色到红色,表示微型驱动器的激活程度。(来源:《自然》杂志)

黄永刚向DeepTech表示,这项研究极大地扩展了虚拟现实和增强现实的刺激方式和功能。从传统的视觉和听觉刺激到触觉界面,首次通过可编程机械震动刺激皮肤的方式实现/转递人体对外部世界的虚拟增强体验。因为与眼睛和耳朵相比,AR 和 VR 在皮肤感知层面的开发还远远不够,而皮肤传感则能极大增强体验,以及拓展通信、娱乐和医学的应用。

研究人员正在努力拓展该装置的使用范围,比如开发可以发热或拉伸力的驱动器,当有热输入的情况下,你可以通过假肢指尖感受到一杯咖啡的热量。黄永刚说:“我们下一步共工作主要是实现更轻薄的、更高分表率的柔性皮肤触觉界面,并丰富不同的皮肤刺激方式,比如热刺激和拉伸触感的实现等。”

更让人兴奋的是研究人员的最终设想,用成百上千个离散的可编程驱动器,将这个装置扩展到全身。穿上特制的 VR 套装,加上 VR 头盔,游戏者可以完全沉浸在虚拟世界中。

香港理工大学纺织及制衣学讲席教授陶肖明(Xiao-ming Tao)在《自然》杂志评论称,鉴于人体皮肤可以分辨亚毫米级的触觉,因此这个驱动器可以再加以微型化,缩小到原来十分之一到三分之一。

陶肖明指出,该装置还有一些缺陷,比如每个驱动器电流高达 5 毫安,这要比大部分消费级电子产品的电流要高。另外,如果散热管理不当,可能会影响微型驱动器性能表现以及让皮肤发热。还有就是,尽管驱动器的功率只有 1.75 毫瓦,但其总功耗可能会是限制该装置持续无线通信的关键因素。这些问题最终的解决途径要依靠进一步微型化驱动器。

DeepTech 在今年 8 月曾经报道斯坦福大学鲍哲南团队开发的无线皮肤传感器,主要用于医学检测,可舒适、便捷监测心跳、呼吸和运动。这项研究的第一作者、斯坦福大学博士后牛思淼告诉 DeepTech,美国西北大学这项研究第一次实现了触觉驱动器阵列与可拉伸近场通信技术的结合,同时实现了能量和控制指令的无线传递。

牛思淼认为,之前的研究主要是实现皮肤上传感器信号的无线收集,这是第一次实现了无线控制可拉伸的皮肤驱动器阵列,美国西北大学的成果为最终实现闭环系统又迈出了重要一步,而闭环系统可以极大提升系统的复杂性和功能性。比如,在血糖控制上,闭环系统可以通过紧贴在皮肤上的传感器阵列得到血液里的血糖含量,然后经过 NFC 无线传递到中枢处理器进行分析控制。当需要干预的时候,中枢处理器发出指令,通过驱动器进行干预,来实现全自动的闭环血糖控制。

对于人们关心的商业化问题,Rogers 说,这篇《自然》杂志论文只是一个起点,是学术研究的首次展示,也许在一两年内会有商业化进展。

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