城大與騰訊Robotics X研發出高分辨率、可穿戴的電刺激觸覺重現裝置

由香港城市大學（城大）共同領導的科研團隊，最近成功開發出一種可穿戴的電刺激「觸覺重現」系統，該系統能以高空間分辨率和快速反應去模擬人類的觸覺。研究團隊展示了這新發明的各種應用潛力，包括應用於盲人文字新系統、在虛擬實境購物和遊戲等元宇宙世界中加入觸感，以及將來為太空人、深海潛水員或其他需要在極端工作環境中戴上厚手套的人士，提供精細的觸覺，以助完成複雜任務。

「我們可以通過手機和鏡頭在千里之外聽到和看到我們的家人，但我們仍然無法感受或觸摸到他們，也無法擁抱他們。我們在物理上被空間和時間所隔離，特別是在這場持久不斷的疫病大流行期間。」共同領導今次研究的城大機械工程學系副教授楊征保博士讀說︰「儘管科學界在開發具有高分辨率和高靈敏度的傳感器方面取得很大進展，能捕捉觸覺的特徵及把它數碼化，但我們仍然缺乏一套能夠有效地把觸覺虛擬化的系統，故難以在時空中記錄和重現觸感。」

城大科研團隊與中國科技巨企騰訊公司的「Robotics X實驗室」合作，最近成功開發出一種新穎的電刺激觸覺重現系統，能夠以高空間分辨率和快速反應地呈現各種觸感。該研究成果已於科學雜誌《科學進展》（Science Advances）上發表，題為“Super-resolution Wearable Electro-tactile Rendering System”。

現有技術的局限性

現有的觸覺刺激重現技術可以大致分為兩大類：機械式刺激和電刺激。通過機械致動器在皮膚上施加局部的機械力或振動，可以產生穩定而連續的觸感。然而，它們往往較笨重及體積龐大，若加進便攜式或可穿戴設備時會嚴重限制了空間分辨率。相反，電刺激傳感器通過在皮膚上局部傳遞電流，刺激電極所在位置的皮膚，從而引發觸感。這種傳感器相對輕巧和靈活，並提供更高的分辨率和更快的反應。可是，它們運作時，大多需要高壓直流電（DC）脈衝（電壓高達數百伏特），才能穿透皮膚最外層的角質層，以刺激皮下的觸感受體和神經，因而構成了安全問題。同時，電刺激傳感器的觸覺重現分辨率亦有待改進。

聯合團隊最新開發的「電觸感致動器」，便成功突破上述技術難題，致動器非常纖薄和靈活，而且易於安裝到一個手指套之中。這種可穿戴於指尖的裝置可以高保真度地展現不同的觸感，例如壓力、振動和紋理粗糙度。而且團隊沒有使用直流電脈衝，而是開發了一種高頻的交流電刺激技術，成功地將操作電壓降低到30伏特以下，確保了用者的安全和舒適。

團隊還開發出一種新穎的超高分辨率技術，可以在兩個電極之間的位置也呈現觸覺，而不是僅集中於電極位置。因此，新技術令觸感刺激器的空間分辨率大增超過三倍（從25點增至105點），令用戶可以感受到更真實的觸感。

具有高空間分辨率的觸覺刺激

負責製作及測試這新系統的城大博士生林偉康先生說：「我們的新系統可以產生同時具有高空間分辨率（76點/平方厘米）——這與真實人類皮膚內部相關的感覺接受器的密度相似，以及快速反應率（4kHz）的觸覺刺激。」

團隊又進行了不同的測試，以展示這新發明的可穿戴式電刺激「觸覺重現系統」的各種應用潛力。首先，研究人員提出了一套新的盲人文字系統，讓視障人士更容易學習。

該套新盲人文字系統將英文字母和數字分拆為各種筆畫和筆順，與傳統書寫方式相同。故通過在指尖上佩戴新的電刺激觸覺重現系統，用戶可以通過指尖傳感器感受到筆畫的方向和筆順，以識別字母。楊博士說︰「這對後天才失去視力的人來說特別有用，因為他們可以繼續使用他們失明前沿用的傳統字母系統來閱讀和書寫，而不需要從零開始學習全新的盲人點字系統。」

_{實驗展示了新系統在創新的盲人文字系統中，以筆劃及筆順的觸感顯示字母和數字的潛力。 影片來源: Lin, W. et al/ DOI: 10.1126/sciadv.abp8738}

為元宇宙引入觸感

其次，新系統很適合VR及AR的應用和遊戲，在元宇宙中引入觸感。因為電極可以用高度靈活及可擴展的方式，覆蓋更大的區域例如手掌。研究團隊的實驗證明了測試人員可以在虛擬時裝店中虛擬地感受到衣服的質地，測試人員還體驗到被一隻VR虛擬貓舔指尖時的騷癢感。當測試者撫摸虛擬貓的皮毛時，隨著撫摸方向和速度的改變，他可以感受到虛擬貓皮毛粗糙度的差異。

_{實驗中測試人員使用新系統與一隻「虛擬貓」互動。當用家撫摸貓的皮毛時，隨著撫摸方向和速度的變化，「貓皮毛」粗糙度的差異可以傳達到用家的手掌。影片來源:  Lin, W. et al/ DOI: 10.1126/sciadv.abp8738}

實驗也證明了新系統即使隔著厚厚的手套，也能傳遞精細的觸覺。該團隊成功將電刺激觸覺重現系統中既薄且輕的電極，與厚厚的安全手套上的柔性觸覺傳感器整合起來。當觸覺傳感器陣列捕捉到手套外部的壓力分布時，便可透過觸覺刺激將信息即時傳遞給用家。在實驗中，測試人員根據安裝了傳感器和刺激器的手套的觸覺反饋，迅速而準確地找到一個半徑只得1毫米、厚度僅為0.44毫米的微型鋼墊圈。這顯示了新系統在實現高保真度觸覺方面的潛力，因為目前太空人、消防員、深海潛水員或其他需要穿戴厚厚防護服或手套的人，暫時仍是無法獲得這種超精細的觸覺。

楊博士補充說：「展望將來，我們發明的新技術勢將獲得廣泛的應用，例如信息傳輸、外科手術培訓、遙距操作和多媒體娛樂。」

_{測試中，研究人員僅僅是倚靠安裝了新系統的感應手套的觸覺反饋，便快速而準確地成功找到一個半徑只得1毫米、厚度僅為0.44毫米的微小鋼墊圈。影片來源:  Lin, W. et al/ DOI: 10.1126/sciadv.abp8738}

研究論文的共同第一作者是林先生，以及來自騰訊Robotics X實驗室的張東勝先生和李望維先生。通訊作者是楊博士及Robotics X實驗室的魏磊博士。研究得到了Robotics X實驗室和香港研究資助局的優配研究金及傑出青年學者計劃的支持。