用于触觉感知的动态三维超构表面设计新策略

MEMS 2024-10-01 06:57

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西湖大学工学院姜汉卿（Hanqing Jiang）团队，在《Nature Communications》期刊上发布了一篇题为“Energy-efficient dynamic 3D metasurfaces via spatiotemporal jamming interleaved assemblies for tactile interfaces”的论文，本项研究工作的第一作者为西湖大学助理研究员安思奇（Siqi An）、博士后李晓文（Xiaowen Li）、助理研究员郭增荣（Zengrong Guo），合作作者为科研助理黄毅（Yi Huang）和博士生张焱林（Yanlin Zhang）。论文内容如下：

一、摘要

受到生物体自然形状变形能力的启发，作者提出了一种通过时空干扰屈曲单元来创建节能动态三维超构表面的策略。与依赖持续能量输入的传统形状变形技术不同，作者的方法利用了策略性干扰的纸基屈曲单元。通过在软基底放松过程中迅速改变其在不同空间点和时间阶段的刚度，作者实现了可刷新、复杂的三维形状，并具备良好的承载能力。该过程不需要持续的能量消耗，确保了节能且持久的形状展示。作者的理论模型将屈曲变形与残余预应变联系起来，为一系列屈曲单元的逆向设计过程提供了基础，从而促进了多样化三维构型的创建。该超构表面在触觉显示方面具有显著的潜力，尤其是对视觉障碍者，预示着在视觉障碍教育、触觉反馈以及虚拟/增强现实应用中的可能性。

二、背景介绍

将二维（2D）构型到复杂三维（3D）形状切换的结构或材料在多个新兴领域中展现出广阔的前景，包括软体机器人、生物医学设备、超材料以及虚拟现实/增强现实应用等。为创建复杂的3D结构，已经出现多种方法。这些方法包括使用对外部刺激做出响应的材料，如液晶弹性体、介电弹性体、可膨胀水凝胶和磁响应软材料等。然而，这些方法通常在制造过程中预设形状转化规则，因此最终的3D构型无法进行刷新。为实现可重新编程的3D结构，已有研究致力于热激活机器人表面、洛伦兹力驱动机械超构表面、加载路径控制的机械组装等，然而这通常需要持续的能量输入或仅限于有限的可变形3D几何形状。此外，这些可重新编程的形状变形结构通常缺乏有效的承载能力，这限制了它们在触觉设备中的实际应用，因为轻触可能会导致变形结构的崩溃。

在本文中，作者提出了一种能量高效、可动态刷新三维超构表面的方案，该超构表面由在柔性基底上通过时空干扰交错组装而成的具有可调刚度的单元构成。在预拉伸的柔性基底上，交错组装可以在预应变松弛的不同时间点，通过真空单独调控并进行空间干扰。在不同空间位置对最初平坦的交错组件进行阻塞，形成具有不同刚度的二维交错组件阵列，这些组件在释放预拉伸的柔性基材后会向三维结构弯曲，展现出不同的轮廓。一旦被阻塞，形成的三维形状无需持续输入能量即可维持，并表现出良好的承载能力。这些被阻塞的单元也可以随后解除阻塞，恢复为二维形状。因此，该方法能够实现动态可刷新性，并以能量高效的方式展示三维形状。形成的三维形状在理论上可以根据交错组件的几何形状和残余预应变进行预测；因此，可以应用逆向设计以实现所需的三维形状。得益于动态可刷新性和承载能力，作者利用32 × 24的交错组件阵列展示了复杂的三维结构，这些结构可以作为视觉障碍人士的触觉显示器，或在虚拟现实/增强现实应用中用作触觉超构表面。这种方法不仅展示了三维形状变形技术的显著进展，还为在众多应用中革命性地改变用户界面和感官体验带来了希望。

三、内容详解

欲了解详细制备过程，请阅读原文。

3.1 交错纸张的堵塞用于可调拉伸刚度和时空屈曲设计策略

受到著名的交错电话簿摩擦实验的启发，作者设计了一个具有可调拉伸刚度的单元。该单元由交错的组件（即纸张）组成，这些组件通过在带有管状空气管道的气密弹性袋内交错两个锯齿形条带形成（图1a）。该组件的刚度或拉伸刚度可以通过一种称为“堵塞”的过程进行调节。例如，未堵塞的弹性体口袋（即负压 P = 0）的拉伸刚度为 0.723 N/mm，而在堵塞状态下（例如 P = 60 kPa），4层交错组件的拉伸刚度可以增加到高达 21.715 N/mm，这意味着刚度增加了 30 倍以上（图 1b、c）。拉伸刚度与施加的负压之间的关系如图1c所示。这种双域拉伸刚度导致三种不同的情境：一种为 OFF 状态，表示在未堵塞情况下的低拉伸刚度（P = 0）；一种为可变刚度情境，具有中等拉伸刚度（0 < P < Pth），其中 Pth 表示根据交错纸张的层数而变化的特定阈值负压；以及一种为 ON 状态，特征是通过堵塞实现的高且相对恒定的拉伸刚度（P > Pth）。

与传统方法利用具有恒定拉伸刚度的薄条相比，当前系统引入了一个额外的设计变量：阻塞诱导的可调拉伸刚度。该变量显著地改变了系统的屈曲行为，屈曲高度因交错组件被阻塞的具体时刻而异，形成在释放应变的软基底上的刚性条带（见图1d及视频1）。在存在这些交错组件阵列的情境中，每个独立组件可以在不同的时间瞬间被卡住，从而实现一种时空可控的屈曲策略，用于制造三维结构。该策略提供了两个显著的优势：(1) 卡住过程是可逆的。当处于开启状态的屈曲条带被解卡（通过移除真空以恢复到关闭状态并允许空气进入）时，它会恢复到其原始平坦形态。(2) 一旦组件被卡住，就不需要持续输入能量，使得该方法在改变拉伸刚度时具有能效优势。需要注意的是，卡住需要由消耗能量的真空泵触发，但一旦卡住完成，真空泵可以关闭，并且由于气密条件，卡住状态可以保持。

图1 基于交错纸张堵塞机理和屈曲设计策略以实现刚度变化及可编程结构。a 爆炸示意图，显示两端固定的弹性基板上的交错组件。b 在施加真空的情况下，交错的锯齿条通过摩擦产生高刚度，增加了交错组装的拉伸刚性。在大气压下，交错的锯齿条可以轻松滑动。左侧，附加100克重物于其末端的堵塞交错组装几乎保持其初始长度，而未堵塞的交错组装则容易被拉伸。右侧，拉伸测试显示，堵塞的交错组装（在60 kPa的真空压力下）比未堵塞的对应物刚度高出30倍以上。c 不同层数的交错组装在施加真空压力下的拉伸刚度。d 由堵塞引起的可调拉伸刚度所实现的可刷新屈曲行为的示意图。左侧，在施加真空后，交错组装的拉伸状态在没有外部载荷的情况下被锁定。右侧，通过在不同的时间点对交错组装进行堵塞，以在应变释放的柔性基材系统上形成刚性条带，实现不同的屈曲高度。维持屈曲高度不需要持续的能量输入，且当释放真空时，屈曲条带将恢复为平坦状态。

视频1

图2a展示了一个3 × 3阵列结构的示例。通过应用不同的操作矩阵，作者可以实现不同的配置。视频2演示了该结构持续变形和恢复的能力，表明其在创造多样化的三维配置方面的潜力。当这些交错组装的空间排列被设计成特定形状时，例如动物，动态的可刷新性赋予了该结构“生动”的特征。例如，图2b展示了一个由四个角度交错组装构成的乌龟形状结构。根据所应用的操作矩阵，这个乌龟形状结构会呈现出不同的姿态。通过依次应用不同的操作矩阵，作者可以模拟一个“活乌龟”（视频3）。当多个交错的组件被像素化时，该结构可以通过精心设计的操作矩阵M形成高度复杂的形状。这种方法为大规模动态形状变形提供了一个实用的解决方案，并具有广泛的应用潜力。如图2c所示，这些应用可能涵盖从视觉障碍者的教育到远程互动等领域。

图2 基于时空屈曲设计策略实现的动态可刷新三维结构。a 3 × 3交错组装阵列的示意图，实验结果显示在不同操作矩阵M下的两种不同三维配置。b 具有四个角度交错组装的平面动物形状结构的示意图，有限元分析（FEA）和实验结果显示在不同操作矩阵M下的三种不同三维配置，形成的三维配置模仿了乌龟的姿态。c 由32 × 24交错组装阵列形成的触觉显示器的照片和示意图，具有在远程交互和视觉障碍教育中的潜在应用。

视频2

视频3

3.2 复杂和“实时”三维结构的设计与实现

作者将每个交错元素在堵塞状态下建模为具有非均匀厚度的梁，从而使作者能够理论上确定其屈曲高度。为进一步表征屈曲行为并捕捉更复杂的细节，进行了有限元分析（FEA）。图3a展示了对称排列的交错纸张的屈曲高度与残余预应变之间的关系。除了使用对称交错纸（如图 3a 所示）及其阵列式设计（例如图 2a、b）实现 3D 配置外，作者的方法还可以构建更复杂的 3D 形状。这是通过结合各种 2D 交错组件实现的，这些组件可以通过直观的逆向设计过程进行设计。图3d-f展示了一些典型的创作，包括一条虫子（图3d）、一只乌龟（图3e）和一只小龙虾（图3f）。这些比较展示了三维形状再现的高保真性，证明了作者设计和制造方法的有效性。

图 3 复杂三维结构的逆向设计策略。a 残余预应变作为相互交错组装的最大屈曲高度的有限元分析（FEA）、实验和理论结果。b, c 以模型为基础的逆向设计流程图，针对一个 8 × 8 阵列的像素化结构，形态转变为两个不同的目标形状。相互交错组装模式的逆向设计流程图，形态转变为复杂的动物三维姿态，包括一条虫（d）、一只乌龟（e）和一只小龙虾（f）。

3.3 像素化交错组装的大规模动态三维重建控制

借助逆向设计，作者可以通过时空弯曲多个屈曲单元（例如，超过500个）在柔性基材上构建大规模且复杂的三维形状。这种方法甚至允许将二维图像转化为三维结构，该过程中的一个关键挑战是有效地控制和访问每个独立的屈曲单元。图4a展示了一个为8 × 8屈曲单元阵列设计的气动控制单元，能够仅通过一个电磁阀实现对这64个单元的单独控制。在该系统中，64 个管子作为一个组通过底部管蓄能器集体控制，该蓄能器由电磁阀设置为 ON 或 OFF，并且通过垂直排列的八个底部夹具和八个顶部夹具实现对每个组件的单独访问，这些夹具可以通过舵机进行拉动或放松。如图4b所示，管子在拉动时关闭，在放松时打开。因此，当特定管子的顶部和底部夹具均处于放松状态时，管子会打开，如图4c所示。这种垂直排列的顶部和底部夹具引入了一种高效的线性扫描机制，以实现对每个交错组件的单独控制，如图4d所示。例如，要操作第一行，首先拉动所有夹具以关闭所有管子。接下来的过程是放松第一行的夹具（行处理），然后放松所需列的夹具（列处理），例如本例中的第四列和第五列。对第一行的操作完成后，第一行第四列和第一行第五列的位置的交错组件会被抽真空并卡住。完成一行后，所有夹具将重置为拉动位置，随后对后续行重复该过程，直至整个阵列被处理。

图4 气动控制的工作原理。a 8 × 8 交错组装阵列的气动控制单元的爆炸示意图。b 气动控制单元在拉伸和放松状态下的横截面示意图。c 通过垂直的上下夹具控制管道开合状态的示意图。d 通过2 × 8 导向引擎单独控制8 × 8 交错组件的线扫描机制过程的示意图，展示了该系统在管理大量单元方面的效率。

图5a展示了整体控制框架，突出了三个主要控制模块：电磁阀模块、步进电机模块和气动控制阵列模块。中央通信模块处理图像信息并协调电磁阀模块、步进电机模块和气动控制阵列模块的操作。在此，气动控制阵列模块能够管理一个由32 × 24个交错组件组成的阵列，这些组件被组织为4 × 3个气动控制单元。气动控制单元的性能已进行测试。如图5b所示，管道的开闭状态可以快速且高精度地调节。值得注意的是，卡滞机制使得所形成的三维形状能够在不需要持续能量输入的情况下维持。如图5c所示，功耗仅在刷新三维形状时发生，从而形成一个高能效的形状显示系统。

图5 大规模像素化交错组件阵列的控制策略。a 32 × 24 交错组件阵列的电路图和连接机制及其与触摸屏设备或笔记本电脑的无线接口。b 给定控制命令（底部面板）下气动控制单元（顶部面板）的压力响应。气动控制单元有两种状态，即管道关闭时的“0”状态（或 OFF 状态）和管道打开时的“1”状态（或 ON 状态），分别导致压力恒定或降低。气动控制单元状态的切换可以精确快速地改变压力响应。c 驱动系统的功耗。在形状变形过程中（例如，显示单词“THINK”），步进电机和转向发动机的运行会导致瞬时能量消耗。而在长时间的形状显示过程中，没有能量消耗。

3.4 可刷新、复杂形状变形的大规模像素化屈曲单元

图6a展示了当前高度集成的形状变形系统的示意图，展示了动态三维超构表面及其相关控制模块，旨在展现广泛复杂的形状变换。作者制造了一个由 768 个交错组件组成的大型阵列（图6b）。通过利用逆向控制过程，作者使用设计的大规模像素化交错组件将彩色图像转换为三维超构表面。图6c–e展示了32 × 24阵列变形为各种形状的照片，包括单词“THINK”、地球的表现以及一个星系，并与其目标图像并列，视频5展示了动态刷新过程。

图6 大规模像素化屈曲单元的可刷新性和复杂形状变形能力。a 形状变形系统的爆炸示意图。b 显示32 × 24交错组装阵列在剥离状态（上面板）和扁平状态（下面板）的照片。实验结果显示32 × 24交错组装阵列变形为(c) 单词“THINK”，(d) 地球的表现，和(e) 银河的形状。

视频4

视频5

3.5 用户研究：通过动态三维超构表面进行触觉形状识别

作者进行了一项涉及 14 名视障人士的用户研究，以评估作者的设备在帮助识别图形信息方面的有效性，这对于提升视力障碍者的独立性和生活质量至关重要。该研究包括两个感知实验，以评估识别准确性和时间效率，随后进行了问卷调查，以评估主观体验。

图7a展示了一名参与者使用作者无线控制的3D超构表面设备来识别五种几何形状。在图7b和7c中，混淆矩阵比较了真实形状与感知形状，结果显示当屈曲高度从5.6 mm增加到8.1 mm时，平均识别准确率显著提高，尤其是在椭圆形状的识别上。这表明参与者能够区分不同的形状，并强调了屈曲高度在形状识别中的重要性。图7d显示，随着屈曲高度的增加，形状识别效率显著提升，突显了该设备在增强视觉障碍用户空间感知能力方面的有效性。图7e展示了NASA-TLX在六个维度上的结果，其中较低的整体平均分表明工作负荷适中。总体而言，用户研究验证了动态3D超构表面能够显著帮助视觉障碍人士识别图形信息，为视觉障碍社区的创新无障碍应用铺平了道路。

图7 关于动态三维超构表面设备辅助视障人士的用户研究。a 照片展示了一名视障参与者使用无线控制的三维超构表面设备进行形状识别任务。b、c 分别为实验1和实验2的识别准确率混淆矩阵。弯曲高度从b中的5.6毫米增加至c中的8.1毫米。字母代表不同的形状：“S”代表正方形，“E”代表椭圆，“R”代表矩形，“P”代表平行四边形，“T”代表三角形。这些结果突显了弯曲高度对识别准确率的影响。d 时间成本的统计结果表明，随着单位高度的增加，识别效率显著提高（n = 14，8名男性，6名女性，年龄26-56岁；p < 0.001，配对样本Wilcoxon检验；须，5-95百分位；框，四分位数；水平线，中位数；交叉标记，均值；圆形散点，表示每位参与者感知每种形状的时间成本）。e NASA-TLX问卷的统计结果表明三维超构表面设备的工作负荷适中。（D1：身体需求，D2：心理需求，D3：时间需求，D4：表现，D5：努力，D6：挫败感）。

四、全文总结

本研究提出了一种简单的策略，以实现从初始平坦的软结构中获得承载能力、动态可刷新、复杂形状变形。该方法的关键特征在于通过在预拉伸柔性基材的释放过程中，在不同的空间位置和时间瞬间对屈曲单元进行选择性加固。作者方法的一个显著优势在于基于堵塞的可调刚度具有可逆性和快速性，重要的是，一旦设定后不需要能量来维持其形状，从而以节能的方式促进持续的形状展示，并允许轻松恢复到原始平坦状态。作者的理论模型准确预测了堵塞交错装配的屈曲高度，为逆向设计提供了定量基础，以精确实现所需的三维结构。文中所提出的原理和方法论为制造大规模、动态可刷新的三维超构表面提供了一条有前景的途径，这些超构表面能够复制复杂形状，适用于各个领域的广泛应用。

五、文献信息

An, S., Li, X., Guo, Z. et al. Energy-efficient dynamic 3D metasurfaces via spatiotemporal jamming interleaved assemblies for tactile interfaces. Nat Commun 15, 7340 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51865-x