第一作者：林偉康，張東勝，李望維
通訊作者：楊征保和魏磊
通訊單位：騰訊Robotics X 實驗室 和 香港城市大學
研究亮點：
1. 使用微電流刺激觸覺小體及神經，實現超高分辨率（76dots/cm2）和超快速刷新（4 kHz）觸覺渲染。
2. 提出一種高頻調制的方法，將工作電壓從傳統的幾百伏降低至30伏以下.
3. 利用人類對于觸覺連續性的錯覺，提出了一種新型的基于筆畫的盲文渲染策略，使得盲人可以在閱讀和書寫時使用同樣的一套文字系統。
4. 提出一個傳感器-執行器系統，演示了使用者在帶著厚重防護手套的情況下，依然可以擁有精細的觸覺。
研究背景
隨著技術的發展，我們現在可以通過手機或相機捕捉圖像和聲音，還可以將它們以數字形式保存，然后通過屏幕和揚聲器高保真顯示。然而，觸覺作為人類重要的感知，幾乎承擔了我們日常生活中的所有交互運動，從溫暖的握手或熱情的擁抱到祝賀的拍背，這樣重要的一種重要的感覺卻難以重現。我們迫切的需要一個可以記錄、尤其是重現觸感的一套系統。
現有的觸覺渲染系統主要可以分為兩種，機械刺激或電刺激。通過在皮膚上施加局部機械力或振動 ，機械致動器可以引發穩定和連續的觸覺感覺。然而，這些機械致動器往往體積龐大，在集成到便攜式或可穿戴設備時嚴重限制了空間分辨率。由于驅動模式的原因，線性電機和氣動執行器等機械執行器通常響應時間很慢。相比之下，電觸覺刺激器可以輕巧靈活，同時提供更高的分辨率和更快的響應。然而，電信號需要數百伏的電壓才能穿透高阻抗的角質層，這帶來了安全問題。此外，鑒于人體皮膚的電特性隨時間和個體間的高度可變性，需要連續校準程序以確保所呈現的感覺保持在用戶的舒適范圍內。
成果簡介
有鑒于此，香港城市大學楊征保團隊與騰訊Robotics X 實驗室共同設計了一款可穿戴的具有超高分辨率的觸覺渲染設備，通過微電流刺激皮膚下的觸覺感受小體和神經，可以高保真度地實現各種觸覺，例如壓力、振動和紋理粗糙度。該設計相較于傳統的電刺激設備，通過一種高頻調制的方法，將工作電壓從傳統的幾百伏降低至30伏以下。同時利用人類對于觸覺連續性的錯覺，提出了一種新型的基于筆畫的盲文渲染策略，使得盲人可以在閱讀和書寫時使用同樣的一套文字系統。
圖 2. 高頻交流電刺激的模擬和實驗結果。(A) 人體皮膚電阻抗模型和等效電路示意圖。(B) 不同頻率下電流密度分布的仿真結果。(C) 觸覺感知強度與刺激電壓的關系；隨著電壓的增加，強度從輕微的觸摸逐漸增加到尖銳的刺痛。誤差線表示每個志愿者在多次測量中的測試結果的波動。(D) 電觸覺系統呈現不同觸覺強度的能力。可以通過調整每個改變電壓的步長來改變可渲染強度級別的數量。用戶可以以 85% 的準確度感受 20 種不同的強度級別。(E) 本工作中施加的電壓和電極面積與其他電觸覺設備的比較。(F) 粗糙感的示意圖，主要由強度和振動頻率決定。(G) 粗糙度感知與刺激電壓和頻率之間的關系。(H) 五種不同粗糙度表面的分類混淆矩陣。
圖 3. 電觸覺渲染系統的結構。(A) 整體控制系統示意圖，由三部分組成，函數發生器產生所需的刺激電流AC1和AC2，電流監視器通過反饋控制保證輸出感知的一致性，開關陣列分別管理每個電極的狀態。(B) 刺激電流的波形。10 kHz 的方波由 40Hz 正弦波進行幅度調制。(C) 反饋控制策略下穩定的電觸覺感知。
圖 4. 超分辨率控制策略。(A) 5 × 5 電觸覺裝置渲染分辨率示意圖（左）和不同刺激電極分布下電流密度模擬結果的俯視圖（右）。25個方格代表電極的實際分布，其中紅色、藍色和空白分別代表電極在AC1、AC2和懸空時的狀態。(B) 不同刺激電極分布下電流密度模擬結果剖面圖。(C) 超分辨率策略下觸覺渲染分辨率顯著提高。(D) 不同渲染策略模式的示意圖和這些模式的識別混淆矩陣，其中圓點表示正常分辨率站點，三角點表示超分辨率站點。
圖 5. 字母和數字顯示的字體盲文策略。(A) 字母“A”和數字“5”的筆畫順序及其基于字體盲文策略的觸覺渲染控制策略。(B) 字體盲文策略中的十六種基本筆順。(C) 英文字母和數字的混淆矩陣。其中一些仍然會混淆，例如“I”和“1”，“S”和“8”，“O”和“0”，“2”和“Z”。(D) 通過電觸覺設備傳輸文本信息的示意圖 (左) 和演示 (右)。
圖 6. 電觸覺渲染系統的應用。（A 和 B）虛擬和增強現實中的電觸覺示例。(A) 在 VR 購物中感受衣服的觸感和質感。(B) 與虛擬貓進行觸摸交流，感受手指發癢的感覺以及通過手掌電觸裝置享受撫摸貓的觸感。(C) 執行關鍵任務的宇航員的觸覺恢復示意圖。傳感器陣列安裝在手套外部以感應物體，而電觸覺設備則安裝在手套內部以呈現觸覺信息。(D) 通過電觸感渲染系統演示佩戴厚防護手套時對微小零件的快速和精確定位。
總結與展望
這里介紹的電觸覺渲染系統與基于機械的刺激器相比，該系統更靈活、薄且輕，因此可以與手套等現有服裝集成或擴展到覆蓋更多區域，例如像手掌一樣，不會過于笨重。與其他電刺激器相比，工作電壓從幾百幅降低至20-30V，同時還能具有非常高的觸覺渲染分辨率。基于電刺激觸覺渲染設備有一個弱點是難以在不激活 FA 受體的情況下僅精確刺激 SA 機械感受器，從而難以產生持續壓力的感覺，所以該設備更適用于動態觸感的渲染。不過鑒于電極非常靈活且重量輕，如果需要更高的真實性，它們可以與其他觸覺反饋模式結合使用。
參考文獻：
WeiKang Lin, et al. Super-resolution wearable electrotactile rendering system. Science advances, 2022.
DOI: 10.1126/sciadv.abp8738
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8738
作者簡介
香港城市大學楊征保課題組致力于研究能量轉換，頻率響應和振動現象的機理和關系，研究主題包括智能傳感器，壓電材料和器件，阻尼效應和非線性振動，低功率電路和機電系統，應用于汽車行業、物聯網、結構健康監控及可穿戴設備。歡迎感興趣的同學和學者加入。
課題組網站：https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/
