【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】觸覺(jué)感知和反饋技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了人與數(shù)字世界的互動(dòng)，催生了虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(jué)反饋器件主要通過(guò)電刺激和機(jī)械振動(dòng)兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)。電刺激利用電流直接刺激神經(jīng)，將信號(hào)傳遞至大腦，但存在用戶體驗(yàn)不一致、皮膚疼痛、肌肉反應(yīng)及暫時(shí)性感覺(jué)遲鈍等問(wèn)題。相比之下，柔性機(jī)械執(zhí)行器則通過(guò)皮膚變形傳遞觸覺(jué)信息，更安全且無(wú)需緊密貼合，提升了用戶與環(huán)境交互的自由度。然而，這類(lèi)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(jí)高壓電源驅(qū)動(dòng)，存在安全隱患并且限制了多維觸覺(jué)反饋信息的編輯能力。因此，開(kāi)發(fā)低電壓驅(qū)動(dòng)與高可編程性的觸覺(jué)反饋器件以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情感交互和動(dòng)態(tài)指令交互的需求日益迫切。
器件原理及應(yīng)用場(chǎng)景示意圖
為了解決這一問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院智能儀器與裝備研究所錢(qián)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(jué)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(duì)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(guò)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(dòng)的強(qiáng)度和頻率，實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)信息的編碼。而在本研究中，課題組通過(guò)有選擇地改變多層PDMS彈性體的交聯(lián)密度而實(shí)現(xiàn)“變剛度復(fù)合”這一概念。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該執(zhí)行器具有優(yōu)秀的輸出特性，實(shí)現(xiàn)超低電壓驅(qū)動(dòng)，能夠在低至5V驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生可感知的觸覺(jué)反饋力；實(shí)現(xiàn)高增益，在200V驅(qū)動(dòng)電壓下增益為1.06mN/V，在35V驅(qū)動(dòng)電壓下增益為0.98mN/V；實(shí)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(jué)敏感的頻率范圍。
在此基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了六點(diǎn)陣執(zhí)行器陣列系統(tǒng)，具備獨(dú)特的四維(4D)觸覺(jué)編程能力，涵蓋了時(shí)間(振動(dòng)啟動(dòng)/持續(xù)/停止時(shí)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(xiàng)應(yīng)用場(chǎng)景。
首先，通過(guò)將觸覺(jué)反饋“節(jié)奏”(rhythm)參數(shù)，即調(diào)控頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和停頓時(shí)間，以對(duì)應(yīng)情緒的激烈程度；將觸覺(jué)反饋的“平滑度”(smoothness)參數(shù)，即調(diào)控振幅的變化率，以對(duì)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(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)陣列各點(diǎn)間的振動(dòng)時(shí)序和振幅水平以使用戶產(chǎn)生流動(dòng)感的幻觸覺(jué)，調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)包括兩個(gè)執(zhí)行器單元之間的致動(dòng)流動(dòng)方向(AFD)、致動(dòng)起始時(shí)間(AOT)、重疊振動(dòng)時(shí)間(OVT)以及致動(dòng)振幅(A)。基于此，本研究給出了五種動(dòng)作方向：前進(jìn)/后退、左/右、順時(shí)針、斜向前和到達(dá)。課題組未來(lái)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(jué)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(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)(China Association for Science and Technology, CAST)與美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)(American Association for the Advancement of Science，AAAS)合作期刊《研究》(Research)上。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士生柳雨含(已畢業(yè))、2021級(jí)博士生韓留洋為論文共同第一作者，錢(qián)翔和澳門(mén)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(xiàng)目等的支持。
所有評(píng)論僅代表網(wǎng)友意見(jiàn)，與本站立場(chǎng)無(wú)關(guān)。