2019年，John A. Rogers院士、黃永剛院士在Nature上發(fā)表了他們首次實現(xiàn)將復(fù)雜的觸摸感融合到VR和AR中。他們發(fā)展了一種無線，無電池的電子系統(tǒng)平臺和觸覺界面，能夠輕柔地層壓在皮膚的曲面上，以通過時空可編程的局部機械振動模式來傳遞信息。觸覺致動器通過無線供電和控制，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。該研究為后續(xù)的很多工作奠定了基礎(chǔ)。近日，他們在可穿戴的皮膚觸覺上再獲突破！（雖然只是眾多CNS的一篇）
人體皮膚具有豐富的傳入神經(jīng)元組成。在與皮膚的物理相互作用過程中，皮膚機械感受器會引起這些神經(jīng)元的活動，并作為識別和定位物體的基礎(chǔ)。生物電子學(xué)領(lǐng)域一個令人興奮的最新方向涉及開發(fā)能夠以快速、可編程的方式使用這些傳入神經(jīng)元的系統(tǒng)。與其他外周神經(jīng)相比，體感傳入神經(jīng)元可以通過與皮膚表面的直接相互作用選擇性地和非侵入性地激活。正如虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實系統(tǒng)的出現(xiàn)所表明的那樣，快速、可編程地操縱人類感官知覺的能力在社交媒體、游戲和娛樂領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在治療性生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中也存在特別引人注目的機會，這些系統(tǒng)應(yīng)用這些體感界面來替代和增強缺失的感官能力。要充分發(fā)揮這些應(yīng)用的潛力，需要快速和緩慢適應(yīng)（rapidly and slowly adapting分別為 RA 和 SA）的機械感受器的參與。這些特殊的細胞通過相互協(xié)調(diào)以及與分布在皮膚各處的自然機械結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，調(diào)節(jié)觸覺的感知和情感品質(zhì)。鑒于此，美國西北大學(xué)John A. Rogers院士、黃永剛院士、西湖大學(xué)姜漢卿和大連理工大學(xué)解兆謙等人介紹了工程科學(xué)的概念，這些概念使得能夠通過無線實時接口定位與這些受體相關(guān)的機械響應(yīng)曲線。他們展示了一種微型機電結(jié)構(gòu)，當與皮膚結(jié)合作為彈性儲能元件時，它支持雙穩(wěn)態(tài)自感知變形模式。圖 1b 說明了壓痕、剪切和振動觸覺刺激通過不同的接觸元件（包括剪紙結(jié)構(gòu)和圓柱形探針）的傳輸。該小型機械傳感器的接合模式、功率傳輸密度和運行效率的多樣性代表了關(guān)鍵，使之能夠超越替代的靜電、氣動和電磁方法。該傳感器的基本概念（如圖 1c 所示）是將皮膚整合為一個中央機械部件，從而產(chǎn)生一種雙穩(wěn)態(tài)機制，可回收在壓縮載荷下儲存的能量。詳細的生物力學(xué)研究為進一步小型化建立了原則，如圖 1c 的插圖所示。基于電感的自感應(yīng)操作還可以作為閉環(huán)控制策略的一部分提高效率。這些特性使得組裝靈活、輕便、相互連接的陣列成為可能，如圖 1d、e 所示，其功能多樣性大大超出了以前的報告。在演示這種不受束縛、貼合皮膚的陣列作為感覺替代的觸覺界面時（圖 1f、g 中的示例），基于智能手機的感官提示源自 3D 掃描和慣性測量，可產(chǎn)生感知，從而提高視覺和本體感覺障礙模型的性能。
圖|使用電池供電的生物集成雙穩(wěn)態(tài)傳感器陣列實現(xiàn)多感官反饋該皮膚交互能夠存儲和釋放機械能，這得益于三個關(guān)鍵的機械部件：核心、臂架和隔膜。核心內(nèi)嵌有一個電磁線圈，位于一個軟鐵鈷磁鐵圓柱體內(nèi)，它能夠集中磁場并減少相鄰單元間的干擾。臂架組件包括鐵鈷、釹鐵硼永磁體和鈦棒，鈦棒作為與皮膚接觸的線性軸。頂部由一種彈性隔膜封閉，這種隔膜由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和磁性納米粉末（MNP）組成。每個換能器都通過一個粘附層與皮膚耦合，粘附層上配有可調(diào)節(jié)高度的剛性、可扭轉(zhuǎn)鎖定的套件，以改變臂架的有效壓入深度。
圖|傳感器的機械特性以及皮膚在維持雙穩(wěn)態(tài)中的作用
這種裝置能夠在壓縮狀態(tài)下儲存能量，并在放松狀態(tài)下釋放。在壓縮狀態(tài)下，永磁體通過臂架施加的磁場磁化軟鐵鈷核心，產(chǎn)生的強吸引力超過皮膚的反應(yīng)力，從而在沒有電流通過線圈的情況下維持壓縮。在放松狀態(tài)下，皮膚和PDMS-MNP隔膜的彈性防止臂架恢復(fù)原位，除非施加電流。通過這種雙穩(wěn)操作，換能器在狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時消耗能量，但在任何狀態(tài)下不持續(xù)消耗能量。此外，這種技術(shù)還能夠提供雙模式的振動觸覺反饋，并且通過一種剪紙結(jié)構(gòu)傳遞剪切力，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋怪庇谄つw的力轉(zhuǎn)換為與皮膚表面平行的切向力。這種裝置還包括一個基于無線陣列的自感機制，可以實時調(diào)整輸入功率以適應(yīng)皮膚的變化。圖|雙穩(wěn)態(tài)傳感器陣列的系統(tǒng)級實現(xiàn)這里介紹的雙穩(wěn)態(tài)自感應(yīng)換能器通過能量回收機制與皮膚交互，提供了新的操作模式和相關(guān)的觸覺，其性能遠遠超過其他方法。這些概念是可編程的、皮膚貼合陣列的基礎(chǔ)，該陣列接收和呈現(xiàn)多模態(tài)機械刺激模式。通過其提供巨大力量和位移的能力，它可以重現(xiàn)與 SA 和 RA 類機械感受器相關(guān)的皮膚感覺。它還可以混合靜態(tài)和動態(tài)變形，解決需要這些類別之間協(xié)調(diào)和同時參與的感覺。最后，使用緊湊、高效的剪紙傳輸結(jié)構(gòu)，它可以操縱力的方向。這些機械傳感通路有助于人類各種重要的感官知覺，包括皮膚與其物理環(huán)境接觸的起源、方向和紋理質(zhì)量。因此，同時提供壓痕、扭轉(zhuǎn)和振動的能力為沉浸式觸覺真實感和提高其應(yīng)用的直觀性提供了堅實的基礎(chǔ)。這種多感官操作特別適合需要整合復(fù)雜體感信息流的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如本文所研究的那些。在無線、貼合皮膚的觸覺界面演示中，基于智能手機的感官提示源自 3D 掃描和慣性測量，可產(chǎn)生感知，從而提高視覺、前庭和本體感覺替代任務(wù)模型的性能。1. Flavin, M.T., Ha, KH., Guo, Z. et al. Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution. Nature 635, 345–352 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-92. 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
