超薄指尖傳感器、可用于外科微創手術

圖中的人，蒙著眼睛，只需要用手指觸摸，就可以辨別出紙上的字母。實現這個能力，用的是一個重量僅為1.3克的設備。而負責給指尖傳導信號的硅膠薄膜，只有18微米厚。這個厚度，薄于一張普通A4紙厚度（104微米）的1/5，也遠遠小于人體表皮的厚度（數十到上千微米）。

這是中國科學家冀曉斌領銜開發出的新型設備，只用1.3克的重量，能夠產生1Hz～500Hz的震動信號，給手指傳遞不同的觸感。實現“盲人摸字”的原理很簡單，用發光二極管作為傳感器，感知紙面反光的強度，將信號傳遞給一個微型控制器。當觸碰到黑色的區域，設備就會自動開啟，將異樣的觸覺傳遞給指尖。人通過觸覺反饋，就能識別出圖案。

這個設備的名字叫做feel-through DEA ( 下稱FT-DEA ) ，“盲人摸字”的試驗，只是對其功能的一個驗證。更重要的是，這種輕巧的觸覺傳感器，提供了一種新型的人機交互界面，具有高靈敏度和寬信號頻域，如果跟不同的VR或AR設備結合，就可以開發出更逼真的虛擬現實或增強現實體驗。

冀曉斌介紹，“feel-through”表明了這款新型穿戴裝置的優勢。由于其輕薄的特性，18微米的薄膜既能夠傳遞給手指額外的觸覺信號，同時又保持了人手指日常的感覺和活動功能。“戴上這個裝置，繼續敲鍵盤，喝咖啡，或者是觸摸其它物品，都不會受影響。”

冀曉斌于2013年和2015年先后在法國獲得學士與碩士學位，2019年在瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）獲得微系統與微電子博士學位，回國后，成為河北工業大學校聘教授，屬于該校李鐵軍教授團隊成員，研究方向是小型智能軟體機器人系統與可穿戴設備。

他表示，自己原本在EPFL做博士后，12月回國，正好趕上疫情，就辭去了在瑞士的工作，決定在國內高校任職。在幾個選項中，他被河北工業大學所提供的資源和平臺所打動，最終選擇了這里，目前他正在籌備自己的實驗室。

a.指尖上的Feel-through DEA觸覺設備；b.佩戴FT-DEA彈鋼琴

一提到VR和AR設備，標志性的設備就是頭戴眼鏡，它能夠呈現出栩栩如生的畫面和聲音。但這只是虛擬體驗的一部分，更困難的是提供虛擬觸覺。

目前，實現與虛擬對象的互動，需要使用手持的電機設備，它們不僅笨重，也只能傳導非常粗糙的觸感，使用的時候，需要以特定的姿勢持握，對人的動作限制也很大。也就是說，現有的手持設備，會阻止人手原有的力學感受功能，穿戴上以后，手指日常的功能就會受到影響。

要實現科幻電影里身臨其境的V R和AR，必須要有更輕便的觸覺傳感裝置。冀曉斌和同事們的工作，就是在這一思路下誕生的。

能夠做出如此輕便的設備，關鍵的技術在于以極低的電壓輸出高功率密度，從而將人類能夠識別的信號送達到指尖。雖然硅膠薄膜只有18微米厚，但是在輸出信號為580Hz時，功率密度能夠大于10W/m 。

低驅動電壓，使得FT-DEA的控制與供能設備可以做得足夠小，來實現無線工作，這滿足了穿戴設備的需求。

低電壓的技術，是冀曉斌在博士課題中實現的突破。他在EPFL做博士期間，師從軟體傳感器實驗室（EPFL—LMTS）主任Herbert Shea教授，完成了“低電壓高速率介電型彈性體驅動器”的課題。高驅動電壓是20多年來困擾DEA領域的一個基本問題。

Valve Index Vr設備

所謂DEA，是介電型彈性體驅動器的簡稱。冀曉斌介紹，這是一種電驅動的人工肌肉，可以將電能轉化為機械能。

冀曉斌的博士課題成功地將DEA驅動電壓降低了一個數量級，并且研發出了前所未有的高性能、低電壓DEA。

冀曉斌也針對開發的低電壓、高性能DEA設計了新型應用，之前設計的軟體機器昆蟲，發表于機器人頂尖期刊Science Robotics；此次的FT-DEA則是可穿戴的觸覺反饋裝置，于2020年10月發表于材料學期刊Advanced Functional Materials上。兩篇論文，冀曉斌都是一作。

DEA所使用的硅膠薄膜本身不導電，它雙面涂上電極后相當于一個電容器，當充滿電之后，兩電極間產生的靜電力在厚度方向壓縮硅膠薄膜，從而讓薄膜面積增大產生形變。這一過程把電能轉化成了機械能。使用不同頻率的控制電信號，可以控制驅動器的運行速率。

冀曉斌形容，“通俗地講，DEA就是一個軟體平行板電容器。”使用聚二甲硅氧烷（PDMS）這一材料當作介電層的性能優勢是相關DEA的反應速率快，能夠達到毫秒級別。由于PDMS這種材料的粘彈性很小，相比于其它的介電材料（比如VHB）其力學性質對DEA運行速度的影響要小的多。

手指尖端有豐富的感受神經，而以彈性硅膠為材料的DEA能夠適應手指的形狀并且貼合皮膚。FT-DEA在通電工作時完全靜音，因此非常適合作為穿戴于指尖的觸覺反饋器。

FT-EDA戴在手指上，在不通電的時候，硅膠薄膜處于預拉伸的狀態，會給指尖皮膚一個輕微的壓力。當通電之后，靜電力產生作用，DEA激活，就會釋放預先施加的壓力，從而使皮膚產生正方向（縱向）的位移。當使用從1到500Hz不同的驅動頻率，薄膜會產生對應不同的位移和拉伸，從而產生不同的觸覺反饋信號。

d. DEA通過拉伸皮膚來給穿戴者產生觸覺反饋信號 e.電壓開關狀態下皮膚以及FT-DEA側視圖

那人類是否能夠準確識別出不同的信號類型呢？

研究尋找了11個不同性別、年齡的使用者，通過兩個測試來收集他們的反饋。第一個測試，研究人員用不同頻率的信號進行測試，讓使用者評判是否能夠感知到信號，并按照感覺強度從0（沒感覺）到4（感覺很強）給出打分。最終的結果顯示，除了關機時的感覺為零，_ 幾乎 _ 其它的頻率都可以被感知到，而在5Hz～200Hz的區間，感知程度都保持在2以上。

在第二個測試中，使用者被隨機給予6種不同的信號類型：10Hz、200Hz、在10Hz與2 0 0 H z間切換、由關閉升為2 0 0 H z、由200Hz降為關閉、關閉。通過10分鐘的簡單學習后，使用者被隨機給予不同的信號刺激，并進行辨別，結果顯示了73%到97%的辨別正確率。

這兩個試驗證明，僅僅通過目前指尖單點的裝置，已經能夠成功傳導多種觸覺信號。

冀曉斌表示，這僅僅是一個初步驗證，證明FT-DEA準確表達觸覺信號的可行性，研究中已經展示了10個DEA在手指上形成的一個陣列結構，未來將突破單點的信號模式，使用DEA陣列來模擬局部的手部感覺，或者反饋更為完整的運動路徑。

請問FT-DEA的結構是怎樣的？

冀曉斌：這是一個多層的結構，兩層電極中間夾一個介電彈性體硅膠層，是一個基本的單元。一共有3個單元堆疊起來，總計共有7層，其中有4層電極，3層硅膠層。這樣設計的目的是增大它的輸出力，單硅膠層厚度是 6微米。在這項工作中，我們堆疊了三層，手指尖端的感受很靈敏，如果將來應用于身體其它部位，比如背部，有對輸出力的強度有更高的要求，可以通過堆疊更多的厚度來增加輸出力，從而使其它部位也能夠感受到反饋信號。

FT-DEA的特色是能夠在低電壓的驅動下，以非常薄的材料實現其性能，這建立在你博士課題的技術突破上，實現低電壓驅動的難點在哪里？

冀曉斌：降低DEA驅動電壓大致有兩種方法，第一，增加介電層的介電常數。第二，降低介電層的薄膜厚度。我們選取的是第二種途徑。

當薄膜厚度降低后，對薄膜的質量要求很高。如果薄膜質量不高，比如厚度不均勻，相關DEA性能會受限制。

更加具有挑戰性的是，降低介電層厚度后，對DEA的電極要求苛刻。既需要有很好的導電性能來保證DEA快速充放電，又必須具備很好的力學性能來降低對整個薄膜結構的僵化。我們開發了基于Langmuir原理的先進納米制造工藝來二維組裝DEA的可拉升電極。研發出了分子厚度的可拉伸電極來滿足這些苛刻要求。

10個DEA組成的陣列，覆蓋在手指上

在蒙眼識字的試驗中，增加了一個發光二極管，它的作用是什么？

冀曉斌：這個實驗中我們做了一個集成的無線控制系統，整體裝置只有 1.3克，這也是可穿戴設備的要求，不能很重，不會影響正常生活。發光二極管的作用是識別顏色，它能夠探測顏色，將收集到的信號傳導給微控制器，從而決定FT-DEA是否開啟。當探測到黑色的時候，微控制器就會反饋出450伏200赫茲的頻控制信號，而在白色的時候是關閉的。使用者通過手指的感受就可以讀取黑色的字母。

目前只進行了一個識字試驗，FT-DEA還有哪些應用的潛力？

冀曉斌：VR里，可以應用它去觸碰一些虛擬的物體。研究中展示了一個戴在手指上的矩陣，假設它可以覆蓋整只手，就可以實現感知一些虛擬的圖像，或者當手做出一個類似抓握這樣的動作時，也可以給予相對應的反饋信號。

當然我們目前只是模擬了表皮上的觸覺，如果未來的VR要實現讓人感受到一個不存在的事物，比如拿住一支筆，需要完整的信息，包括關節的姿態，還有皮膚的觸覺，一個理想的手套是能夠完成所有的任務的。這也是將來要突破的工作。

另外在一些需要精細操作的地方，比如一些外科手術、精細組裝等，人體本身的精度是有限的，在精細操作的時候容易產生誤差，而電子設備能夠實現更高的精準度。

比如一些外科微創手術，能夠通過它來告知操作者精度的范圍，幫助人手實現更好的操作。這能夠實現人和機器之間更密切的交互，機器通過觸覺反饋給人類信號，比如將一層這樣活性的薄膜戴在手上時，就增強了人機交互的維度，同時具有便利性。