复杂的触觉技术可实现捏、拉或轻拍等动作

John A. Rogers/Northwestern University

如今，大多数触觉接口仅限于简单的震动功能。当视觉显示和音频系统不断发展进步时，那些利用我们触觉的设备在很大程度上却停滞不前。现在，研究人员开发出了一种触觉系统，它能够产生更复杂的触觉反馈。该设备不再仅仅是嗡嗡作响，还能模拟诸如捏、拉和轻拍等感觉，带来更逼真的体验。

领导这个项目的是伊利诺伊州埃文斯顿市西北大学的教授John Rogers，他表示：“触觉是你与他人之间最私密的联系。它真的非常重要，但实现起来比音频或视频要困难得多。”

这项研究由Rogers和同样来自西北大学的教授Yonggang Huang共同牵头，其主要应用方向是医疗领域。不过，这项技术也可以有广泛的用途，包括虚拟现实或增强现实，以及在网上购物时能够感受衣服面料或其他物品的质地。这项研究成果于3月27日发表在《科学》杂志上（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2481）。

一种更细腻的触觉感受

如今的触觉接口大多依赖于振动执行器，这种执行器的构造相当简单。Rogers说：“这是一个很好的起点。” 但他补充道，超越单纯的振动能够帮助为这项技术增添现实世界中互动的生动感。

这类互动需要更复杂的机械力，其中包括垂直于皮肤表面的法向力和平行于皮肤的切向力的组合。据Rogers所说，无论是通过振动还是施加压力，垂直作用于皮肤的力一直是触觉设计的主要关注点。但这些力并不能完全激活我们皮肤中嵌入的众多感受器。

研究人员的目标是制造出一种能够实现完全自由运动的执行器，Rogers表示，他们利用 “非常古老的物理学原理” 达成了这一目标 —— 确切地说，就是电磁学原理。该设备的基本设计由三个嵌套的铜线圈和一个小磁铁组成。电流通过线圈时会产生磁场，进而使磁铁移动，从而向皮肤传递力。

Rogers说：“我们所构建的是物理学原理的一种工程化体现，它提供了一个非常紧凑的力传递系统，并且在力的方向、振幅和时间特性方面都具备完全的可编程性。” 为了实现更精细的设置，研究人员还开发出了一个版本，该版本使用了一组由四个磁铁组成的装置，这些磁铁的南北极方向各不相同。这就产生了更为复杂的诸如捏、拉和扭转等感觉。

指尖上的 —— 或是身体任何部位的 —— 触觉技术

John A. Rogers/Northwestern University

尽管此前关于触觉技术的研究大多集中在指尖和手部，但这些设备也可以放置在身体的其他部位，比如背部、胸部或手臂上。不过，这些不同部位的应用可能有着不同的需求。与背部等部位相比，指尖极为敏感 —— 无论是从所需的力的大小方面，还是从感受器的空间密度方面来看都是如此。

Rogers说：“就感受器的密度而言，指尖可能是最具挑战性的部位，但就需要传递的力而言，指尖又是最容易的。” 他承认，在其他应用场景中，提供足够的动力可能是一个难题。

弗吉尼亚大学的系统工程学教授、IEEE触觉技术技术委员会前主席Gregory Gerling表示，能够产生的力的大小也可能受到线圈尺寸的限制。线圈的大小决定了你能产生多大的力，而且到了一定程度，设备就无法佩戴了。不过，他认为对于虚拟现实应用来说，目前的技术已经足够了。

作为IEEE高级会员，Gerling认为在多个方向上运用磁力的方式很有意思。与其他基于液压或气压的方法相比，这个系统无需泵送液体或气体。Gerling说：“这样一来，你就可以不受束缚。总的来说，这是一个非常有趣且新颖的设备，或许它会为这个领域带来一些新的发展方向。”

在虚拟现实、神经病变及更多领域的应用

Rogers表示，该设备最明显的应用领域可能是虚拟现实或增强现实。他说，这些环境现在已经拥有高度复杂的音频和视频输入，“但这种体验中的触觉部分仍在不断完善中”。

不过，他们的实验室主要专注于医疗应用领域，其中包括为身体某部位失去感觉的患者提供感觉替代。一个复杂的触觉接口可以在身体的另一个部位重现这种感觉。

例如，患有糖尿病神经病变的人因神经受损，不看脚的话就很难正常行走。该实验室正在进行实验，将一组压力传感器放置在这些患者的鞋底，然后通过安装在他们大腿上部（此处他们仍有感觉）的触觉传感器阵列来重现压力模式。研究人员正与芝加哥的一家康复机构合作，主要针对这类患者群体来测试这一方法。

Rogers表示，继续开发这些医疗应用将是未来的工作重点。从工程学的角度来看，他希望进一步将执行器小型化，以便能在像指尖这样的身体部位布置密集的传感器阵列。

感受音乐

此外，研究人员还探索了使用该设备来提升人们对音乐表演参与度的可能性。除了或许能感受到低音线的震动外，音乐表演通常依赖于视觉和听觉。增加一个触觉元素可以带来更沉浸式的体验，或者帮助有听力障碍的人感受音乐。

在当前的技术条件下，基本的振动执行器可以改变振动频率，以匹配正在演奏的音符。虽然这可以传达简单的旋律，但它缺乏不同乐器和音乐元素所带来的丰富感。

研究人员开发的这种具有完全运动自由度的执行器能够传达出更生动的声音。例如，人声、吉他和鼓声，每一种都可以被转化为一种传递特定力量的机制。和仅靠振动一样，每种力量的频率都可以进行调节，以与音乐相匹配。Rogers说，这个实验只是探索性的，但它充分利用了该系统的先进功能。