科研人员设计出用于多感官替代的触觉皮肤电子器件
科研人员设计出用于多感官替代的触觉皮肤电子器件
快速可编程的触觉激励器在社交媒体、游戏、娱乐及生物医学康复治疗中应用广泛，能有效替代或增强感知能力。记者8日从大连理工大学获悉，该校解兆谦教授（共同通讯作者）与美国西北大学John A.Rogers教授课题组、黄永刚教授课题组及西湖大学姜汉卿教授课题组合作，发明了一种基于生物弹性状态恢复的无线、低功耗、多刺激模式触觉皮肤电子器件。相关成果发表在国际学术期刊《自然》上。
该研究通过力-电-磁控制的双稳态及压扭耦合结构力学设计，可实现对皮肤不同深度触觉机械感受器的动态和静态、法向力和剪切力的多模式激励。该可编程多模式触觉激励的皮肤电子器件在视觉、平衡感和触觉感官替代中存在广阔的应用前景。
解兆谦介绍，皮肤中多样的机械触觉感受器能感知并传递丰富的触觉信息。然而现有触觉激励器功耗高、模式单一，仅能激活皮肤中单一类型的机械触觉感受器，且多为有线控制，限制了使用的便捷性和应用的广泛性。为充分挖掘触觉界面的应用潜力，需要皮肤中多类型机械感受器的协同参与，以实现多感官互动，这对可穿戴触觉激励/感官替代器件的开发提出了新的挑战。
针对上述业界广泛关注的挑战性难题，科研团队创新性设计了一种基于生物弹性恢复的无线、可编程、低功耗且具备多刺激模式的触觉皮肤电子器件。该器件凭借其独特的力-电-磁控制双稳态结构，能够在瞬态微电流的作用下，于压缩与放松两种状态间实现快速且精准的切换，实现皮肤不同层面的静态与动态的激励。此外，该器件采用了轻质的柔性延展力学结构设计，使得整体轻薄且易于穿戴，完美实现了与皮肤的无缝保形贴合，提升了用户的舒适度，确保了器件在长时间使用过程中的稳定性和可靠性。
值得一提的是，该器件集成了先进的无线控制电路系统，能够根据前方障碍物、使用者身体姿势及步态等实时信息，智能地调整激励模式。这种智能化的设计使得器件能够为用户提供更为个性化、精准且实时的触觉反馈，从而在视觉、平衡感和触觉感官替代等领域展现出广阔的应用前景。
解兆谦表示，经过测试实验证明，通过智能手机的LiDAR技术感知前方障碍物，并与触觉皮肤电子器件协同工作，能够为视力障碍者提供精确且可靠的导航指引。同时，利用智能手机内置的惯性测量单元（IMU）实时监测用户的身体姿势变化，并与触觉皮肤电子器件相结合，可以为用药后等平衡感受损的患者提供平衡感官替代方案。最后，通过IMU精准追踪脚步的方向以及与地面的相对角度，配合触觉皮肤电子器件，可以辅助糖尿病脚部感官缺失的患者调整步态，有效预防跌倒，从而实现对其脚部感官功能的精准替代。
