城大与腾讯Robotics X研发出高分辨率、可穿戴的电刺激触觉重现装置

由香港城市大学（城大）共同领导的科研团队，最近成功开发出一种可穿戴的电刺激“触觉重现”系统，该系统能以高空间分辨率和快速反应去模拟人类的触觉。研究团队展示了这新发明的各种应用潜力，包括应用于盲人文字新系统、在虚拟实境购物和游戏等元宇宙世界中加入触感，以及将来为太空人、深海潜水员或其他需要在极端工作环境中戴上厚手套的人士，提供精细的触觉，以助完成复杂任务。

“我们可以通过手机和镜头在千里之外听到和看到我们的家人，但我们仍然无法感受或触摸到他们，也无法拥抱他们。我们在物理上被空间和时间所隔离，特别是在这场持久不断的疫病大流行期间。”共同领导这次研究的城大机械工程学系副教授杨征保博士续说，“尽管科学界在开发具有高分辨率和高灵敏度的传感器方面取得很大进展，能捕捉触觉的特征及把它数码化，但我们仍然缺乏一套能够有效地把触觉虚拟化的系统，故难以在时空中记录和重现触感。”

城大科研团队与中国科技巨企腾讯公司的“Robotics X实验室”合作，最近成功开发出一种新颖的电刺激触觉重现系统，能够以高空间分辨率和快速反应地呈现各种触感。该研究成果已于科学杂志《科学进展》（Science Advances）上发表，题为“Super-resolution Wearable Electro-tactile Rendering System”。

现有技术的局限性

现有的触觉刺激重现技术可以大致分为两大类：机械式刺激和电刺激。通过机械致动器在皮肤上施加局部的机械力或振动，可以产生稳定而连续的触感。然而，它们往往较笨重及体积庞大，若加进便携式或可穿戴设备时会严重限制了空间分辨率。相反，电刺激传感器通过在皮肤上局部传递电流，刺激电极所在位置的皮肤，从而引发触感。这种传感器相对轻巧和灵活，并提供更高的分辨率和更快的反应。可是，它们运作时，大多需要高压直流电（DC）脉冲（电压高达数百伏特），才能穿透皮肤最外层的角质层，以刺激皮下的触感受体和神经，因而构成了安全问题。同时，电刺激传感器的触觉重现分辨率亦有待改进。

联合团队最新开发的“电触感致动器”，便成功突破上述技术难题，致动器非常纤薄和灵活，而且易于安装到一个手指套之中。这种可穿戴于指尖的装置可以高保真度地展现不同的触感，例如压力、振动和纹理粗糙度。而且团队没有使用直流电脉冲，而是开发了一种高频的交流电刺激技术，成功地将操作电压降低到30伏特以下，确保了用者的安全和舒适。

团队还开发出了一种新颖的超高分辨率技术，可以在两个电极之间的位置也呈现触觉，而不是仅集中于电极位置。因此，新技术令触感刺激器的空间分辨率大增超过三倍（从25点增至105点），令用户可以感受到更真实的触感。

具有高空间分辨率的触觉刺激

负责制作及测试这新系统的城大博士生林伟康先生说：“我们的新系统可以产生同时具有高空间分辨率（76点/平方厘米）——这与真实人类皮肤内部相关的感觉接受器的密度相似，以及快速反应率（4kHz）的触觉刺激。”

_{实验展示了新系统在创新的盲人文字系统中，以笔划及笔顺的触感显示字母和数字的潜力。（视频来源：Lin, W. et al/ DOI: 10.1126/sciadv.abp8738）}

团队又进行了不同的测试，以展示这新发明的可穿戴式电刺激“触觉重现系统”的各种应用潜力。首先，研究人员提出了一套新的盲人文字系统，让视障人士更容易学习。

该套新盲人文字系统将英文字母和数字分拆为各种笔画和笔顺，与传统书写方式相同。故通过在指尖上佩戴新的电刺激触觉重现系统，用户可以通过指尖传感器感受到笔画的方向和笔顺，以识别字母。杨博士说：“这对后天才失去视力的人来说特别有用，因为他们可以继续使用他们失明前沿用的传统字母系统来阅读和书写，而不需要从零开始学习全新的盲人点字系统。”

为元宇宙引入触感

其次，新系统很适合VR及AR的应用和游戏，在元宇宙中引入触感。因为电极可以用高度灵活及可扩展的方式，覆盖更大的区域例如手掌。研究团队的实验证明了测试人员可以在虚拟时装店中虚拟地感受到衣服的质地，测试人员还体验到被一只“虚拟猫”舔指尖时的骚痒感。当测试者抚摸虚拟猫的皮毛时，随着抚摸方向和速度的改变，他可以感受到虚拟猫皮毛粗糙度的差异。

_{实验中测试人员使用新系统与一只“虚拟猫”互动。当用家抚摸猫的皮毛时，随着抚摸方向和速度的变化，“猫皮毛”粗糙度的差异可以传达到用家的手掌。（视频来源：Lin, W. et al/ DOI: 10.1126/sciadv.abp8738）}

实验也证明了新系统即使隔着厚厚的手套，也能传递精细的触觉。该团队成功将电刺激触觉重现系统中既薄且轻的电极，与厚厚的安全手套上的柔性触觉传感器整合起来。当触觉传感器阵列捕捉到手套外部的压力分布时，便可透过触觉刺激将信息即时传递给用家。在实验中，测试人员根据安装了传感器和刺激器的手套的触觉反馈，迅速而准确地找到一个半径只得1毫米、厚度仅为0.44毫米的微型钢垫圈。这显示了新系统在实现高保真度触觉方面的潜力，因为目前太空人、消防员、深海潜水员或其他需要穿戴厚厚防护服或手套的人，暂时仍是无法获得这种超精细的触觉。

杨博士补充说：“展望将来，我们发明的新技术势将获得广泛的应用，例如信息传输、外科手术培训、遥距操作和多媒体娱乐。”

研究论文的共同第一作者是林先生，以及来自腾讯Robotics X实验室的张东胜先生和李望维先生。通讯作者是杨博士及Robotics X实验室的魏磊博士。研究得到了Robotics X实验室和香港研究资助局的优配研究金及杰出青年学者计划的支持。

_{测试中，研究人员仅仅是倚靠安装了新系统的感应手套的触觉反馈，便快速而准确地成功找到一个半径只得1毫米、厚度仅为0.44毫米的微小钢垫圈。（视频来源：Lin, W. et al/ DOI: 10.1126/sciadv.abp8738）}

本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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