Nature：黃永剛/Rogers為可穿戴智能器件帶來(lái)里程碑進(jìn)展！
Natt
納米人
2019-11-22
作者丨Natt
校審丨未央
讓聽(tīng)覺(jué)障礙者可以感知音樂(lè)的美妙，讓肢體殘疾者可以感受游戲的快樂(lè)。現(xiàn)在，隨著可穿戴器件和VR/AR技術(shù)的不斷發(fā)展，那些只在科幻電影中出現(xiàn)的橋段，也慢慢走入現(xiàn)實(shí)生活中。
2002年，CuteCircuit公司發(fā)明了全球首創(chuàng)的觸覺(jué)通信可穿戴衣服Hug Shirt，并于2006年被《時(shí)代》雜志評(píng)為年度最佳發(fā)明之一。這種襯衣和常規(guī)衣服材質(zhì)和外觀幾乎沒(méi)有區(qū)別，但是能夠?qū)⒁魳?lè)轉(zhuǎn)化為一種觸覺(jué)，讓聽(tīng)力障礙者感知。2014年，巴西世界杯。一個(gè)雙腿殘疾的少年，通過(guò)腦接入智能設(shè)備，以意念控制肢體動(dòng)作，為世界杯開(kāi)幕式開(kāi)球，驚艷世界。VR/AR的一個(gè)重要未來(lái)在于發(fā)展一種全面的、身臨其境的體驗(yàn)，這種體驗(yàn)不僅包括交互式圖像和聲音，還包括觸摸感。具有這類多感官能力的技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，涉及領(lǐng)域從社交媒體和通信到游戲和娛樂(lè)，再到臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)和恢復(fù)。皮膚是人體最大的器官，機(jī)械感受器分布在皮膚和真皮層內(nèi)，構(gòu)成我們與世界物理交互作用的基礎(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)皮膚上力的時(shí)空模式的響應(yīng)會(huì)作為信號(hào)傳遞到大腦，這些信號(hào)定義了我們對(duì)周圍環(huán)境的機(jī)械感覺(jué)。然而，由感覺(jué)受體檢測(cè)到的刺激被編碼成電信號(hào)，該信號(hào)沿著神經(jīng)通路移動(dòng)到大腦的特定部位，然后被解碼成有用的信息。整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜。例如，觸摸感是包括壓力、疼痛和溫度在內(nèi)的多種感覺(jué)的集合，且觸覺(jué)感受器更由機(jī)械、化學(xué)和熱能的組合所刺激。然而，到目前為止，將觸摸感融合到VR和AR中一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。有鑒于此，美國(guó)西北大學(xué)黃永剛院士和John A·Rogers院士等人首次實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜的觸摸感融合到VR和AR中。他們發(fā)展了一種無(wú)線，無(wú)電池的電子系統(tǒng)平臺(tái)和觸覺(jué)界面，能夠輕柔地層壓在皮膚的曲面上，以通過(guò)時(shí)空可編程的局部機(jī)械振動(dòng)模式來(lái)傳遞信息。觸覺(jué)致動(dòng)器通過(guò)無(wú)線供電和控制，以及能壓層貼合任何類型皮膚，使其具有低耗能和安全便捷性。研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)描述了用作此類平臺(tái)基礎(chǔ)所使用的材料，設(shè)備結(jié)構(gòu)，功率傳輸策略和通信方案。由此產(chǎn)生的技術(shù)創(chuàng)造了許多使用機(jī)會(huì)，如通過(guò)在社交媒體和個(gè)人參與、假肢控制和反饋、游戲和娛樂(lè)中的應(yīng)用，皮膚向身體提供電子可編程通信和感官輸入通道。該表皮虛擬現(xiàn)實(shí)界面的結(jié)構(gòu)采用多層堆疊的形式，包括：（2）用于支持無(wú)線控制系統(tǒng)的硅膠封裝功能層；功能層的電子部分由一組聚酰亞胺包裹的銅圈組成，并根據(jù)可拉伸電子產(chǎn)品中的定量設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)成絲狀蛇形。這些走線將一系列小型芯片級(jí)集成電路組件和無(wú)源元件互連起來(lái)，包括磁射頻（RF）環(huán)形天線結(jié)構(gòu)、集成電路（IC）開(kāi)關(guān)等。系統(tǒng)芯片（SoC）ICs包括具有近場(chǎng)通信（NFC）功能和通用輸入/輸出功能的微控制器，用作分布式機(jī)械振動(dòng)執(zhí)行器的控制接口，稱之為觸覺(jué)致動(dòng)器。
圖2. 觸覺(jué)致動(dòng)器的組成
每個(gè)致動(dòng)器包括兩個(gè)連接部分：密封在聚合物中的銅線線圈和安裝在聚合物梁上的永磁體，形成了一個(gè)懸臂狀的平臺(tái)，以能夠通過(guò)磁鐵和線圈電流之間的相互作用來(lái)驅(qū)動(dòng)。此外，對(duì)于相同的電功率，致動(dòng)器尺寸減少一個(gè)數(shù)量級(jí)可使磁體在振動(dòng)過(guò)程中的加速度增加三倍以上，所以可通過(guò)減小致動(dòng)器的尺寸，可以進(jìn)一步降低功耗。通過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)，這些觸覺(jué)致動(dòng)器僅需要約1.75 mW的功率，即可在指尖和手上產(chǎn)生明顯的感官響應(yīng)，且無(wú)熱效應(yīng)產(chǎn)生。此外，與不同強(qiáng)度的模型作用，其頻率值幾乎沒(méi)有變化，因此該觸覺(jué)致動(dòng)器適用于不同年齡和身體不同部位的皮膚特征。而且柔軟、可變形的平臺(tái)在人體任何區(qū)域都能建立舒適、無(wú)刺激的皮膚接觸界面。該設(shè)備的主要特點(diǎn)是其致動(dòng)器陣列是無(wú)線供電和控制的。該系統(tǒng)使用主天線進(jìn)行功率傳輸，使用一些其他天線來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，并使用中間天線來(lái)增強(qiáng)從主天線收集的功率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)包含中間天線使收集到的功率增加了大約三倍。并且確定該設(shè)備符合輻射暴露和組織吸收的安全水平的準(zhǔn)則。研究人員總結(jié)了系統(tǒng)架構(gòu)和總體操作。第一部分通過(guò)主線圈經(jīng)由發(fā)送天線獲取功率。第二部分通過(guò)互連的SoCs陣列提供控制和通信，每個(gè)SoC具有單獨(dú)的小型控制天線，并通過(guò)其通用輸入/輸出端口對(duì)八個(gè)觸覺(jué)致動(dòng)器進(jìn)行操作控制。這樣，一個(gè)SoC/IC開(kāi)關(guān)組合可同時(shí)和獨(dú)立地控制/操作八個(gè)執(zhí)行器。將這種架構(gòu)擴(kuò)展到多個(gè)單元，可以得到具有任意數(shù)量執(zhí)行器的系統(tǒng)，而不受限制。電源與平臺(tái)之間的距離需要小于1米左右，使該技術(shù)適合于VR/AR中的某些應(yīng)用。文中描述三個(gè)具體的例子：（1）一個(gè)女孩觸摸一個(gè)顯示她祖母視頻的屏幕；祖母通過(guò)她手上和手臂上的設(shè)備感知觸摸。（2）一個(gè)被截肢的人用一個(gè)有機(jī)械手的假肢抓住一個(gè)物體；他上臂上的一個(gè)裝置產(chǎn)生一種能再現(xiàn)物體形狀的感覺(jué)模式。（3）玩基于戰(zhàn)斗的視頻游戲的人在身體上佩戴多個(gè)設(shè)備；當(dāng)游戲角色的相應(yīng)身體部位發(fā)生攻擊時(shí)，這些設(shè)備將被激活。綜上所述，表皮虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用了薄而軟的結(jié)構(gòu)，能夠直接層壓在皮膚上，并采用輕量化、無(wú)電池設(shè)計(jì)，在無(wú)線操作模式下對(duì)大型微型觸覺(jué)致動(dòng)器陣列進(jìn)行可編程控制。社交媒體互動(dòng)、假肢反饋和視頻游戲中的演示說(shuō)明該設(shè)備具有廣泛的潛在應(yīng)用，這些應(yīng)用還包括個(gè)性化康復(fù)、手術(shù)訓(xùn)練、教育反饋和多媒體娛樂(lè)體驗(yàn)系統(tǒng)。但該系統(tǒng)在通過(guò)增加皮膚界面的機(jī)械驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度方面還存在許多需要改善性能的地方。【1】Yu, X., Xie,Z., Yu, Y. et al. Skin-integrated wireless haptic interfacesfor virtual and augmented reality. Nature 2019，575, 473–479.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1687-0【2】Xiao-ming Tao. Virtual and augmentedreality enhanced by touch. Nature 2019, 575, 453-454.https://www.nature.com/articles/d41586-019-03506-3黃永剛，男，固體力學(xué)家。1962年11月生于北京。1984年獲北京大學(xué)學(xué)士，1990年獲哈佛大學(xué)博士。現(xiàn)任美國(guó)西北大學(xué)冠名講席教授。2010年當(dāng)選歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士，2017年當(dāng)選美國(guó)國(guó)家工程院院士和歐洲科學(xué)院院士。他是美國(guó)固體力學(xué)領(lǐng)域75歲以下科學(xué)院或工程院院士中文章引用率最高的學(xué)者；是二十年來(lái)(1998-2017)世界固體力學(xué)領(lǐng)域文章引用率最高的學(xué)者；是迄今為止世界固體力學(xué)領(lǐng)域文章引用率最高的華人學(xué)者。2017年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士。
John A. Rogers院士，1995年在麻省理工學(xué)院(MIT)獲得了物理化學(xué)博士學(xué)位，之后曾在Bell實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任凝聚態(tài)物理研究組組長(zhǎng)。從2003年開(kāi)始，Rogers教授在伊利諾伊大學(xué)香檳分校擔(dān)任化學(xué)工程系教授至今。并從今年9月份開(kāi)始，擔(dān)任西北大學(xué)生物集成電子中心的教授兼主任。
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