【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】觸覺感知和反饋技術(shù)的發(fā)展推動了人與數(shù)字世界的互動，催生了虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、殘疾輔助和通信等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。當(dāng)前，表面觸覺反饋器件主要通過電刺激和機(jī)械振動兩種機(jī)制實現(xiàn)。電刺激利用電流直接刺激神經(jīng)，將信號傳遞至大腦，但存在用戶體驗不一致、皮膚疼痛、肌肉反應(yīng)及暫時性感覺遲鈍等問題。相比之下，柔性機(jī)械執(zhí)行器則通過皮膚變形傳遞觸覺信息，更安全且無需緊密貼合，提升了用戶與環(huán)境交互的自由度。然而，這類執(zhí)行器通常采用介電彈性體、壓電材料等柔性功能材料，依賴千伏級高壓電源驅(qū)動，存在安全隱患并且限制了多維觸覺反饋信息的編輯能力。因此，開發(fā)低電壓驅(qū)動與高可編程性的觸覺反饋器件以實現(xiàn)復(fù)雜情感交互和動態(tài)指令交互的需求日益迫切。
器件原理及應(yīng)用場景示意圖
為了解決這一問題，清華大學(xué)深圳國際研究生院智能儀器與裝備研究所錢翔課題組提出了一種基于多層可變剛度聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)彈性體的柔性駐極體觸覺反饋執(zhí)行器。該執(zhí)行器由五層三明治結(jié)構(gòu)組成(如圖1A所示)，包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)封裝層、氧化銦錫(indium tin oxide, ITO)上電極層、氟化乙丙烯(fluorinated ethylene propylene, FEP)駐極體薄膜層、金電極層以及PDMS復(fù)合剛度調(diào)控層(stiffness regulator)。課題組在之前的工作中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)單層PDMS支撐層的參數(shù)，可以有效調(diào)控駐極體執(zhí)行器產(chǎn)生機(jī)械振動的強(qiáng)度和頻率，實現(xiàn)觸覺信息的編碼。而在本研究中，課題組通過有選擇地改變多層PDMS彈性體的交聯(lián)密度而實現(xiàn)“變剛度復(fù)合”這一概念。
實驗結(jié)果表明，該執(zhí)行器具有優(yōu)秀的輸出特性，實現(xiàn)超低電壓驅(qū)動，能夠在低至5V驅(qū)動電壓下產(chǎn)生可感知的觸覺反饋力；實現(xiàn)高增益，在200V驅(qū)動電壓下增益為1.06mN/V，在35V驅(qū)動電壓下增益為0.98mN/V；實現(xiàn)寬頻率，執(zhí)行器的帶寬在50Hz至450Hz范圍內(nèi)，涵蓋了主要的觸覺敏感的頻率范圍。
在此基礎(chǔ)上，研究設(shè)計并實現(xiàn)了六點陣執(zhí)行器陣列系統(tǒng)，具備獨特的四維(4D)觸覺編程能力，涵蓋了時間(振動啟動/持續(xù)/停止時間)、位置、振幅和頻率(如圖1D所示)。本研究進(jìn)一步展示了該執(zhí)行器陣列系統(tǒng)的兩項應(yīng)用場景。
首先，通過將觸覺反饋“節(jié)奏”(rhythm)參數(shù)，即調(diào)控頻率、振動持續(xù)時間和停頓時間，以對應(yīng)情緒的激烈程度；將觸覺反饋的“平滑度”(smoothness)參數(shù)，即調(diào)控振幅的變化率，以對應(yīng)情緒的愉悅程度。由此獲得了三種節(jié)奏模式(R1、R2和R3)以及四種平滑度編程模式(S1、S2、S3和S4)，利用這些模式的組合能夠在動態(tài)輸出盲文字符的基礎(chǔ)上加載 “熱情” “緊張”“悲傷”和“放松”等情緒信息(如圖1C所示)。其次，通過調(diào)節(jié)陣列各點間的振動時序和振幅水平以使用戶產(chǎn)生流動感的幻觸覺，調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)包括兩個執(zhí)行器單元之間的致動流動方向(AFD)、致動起始時間(AOT)、重疊振動時間(OVT)以及致動振幅(A)。基于此，本研究給出了五種動作方向：前進(jìn)/后退、左/右、順時針、斜向前和到達(dá)。課題組未來將進(jìn)一步探索該系統(tǒng)在盲人輔助以及沉浸式虛擬操作中的應(yīng)用。
相關(guān)研究成果以“面向殘障人群感知增強(qiáng)的情感性與方向性可編程柔性觸覺接口”(Emotional and Directional Enabled Programmable Flexible Haptic Interface for Enhanced Cognition in Disabled Community)為題，于6月3日發(fā)表于中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(China Association for Science and Technology, CAST)與美國科學(xué)促進(jìn)會(American Association for the Advancement of Science，AAAS)合作期刊《研究》(Research)上。
清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級碩士生柳雨含(已畢業(yè))、2021級博士生韓留洋為論文共同第一作者，錢翔和澳門大學(xué)科技學(xué)院機(jī)電工程系助理教授鐘俊文為論文共同通訊作者。研究得到深圳市技術(shù)攻關(guān)項目等的支持。
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