科學家研發觸覺反饋接口有望用于增強現實和虛擬現實

在當前的觸覺反饋領域，電刺激和機械制動器是兩條獨立的發展路徑。

對于電刺激來說，它是通過激活感受神經來使大腦產生觸覺，因此真實的觸摸變形并沒有發生。

人們對于它的研究更多側重于生物基礎方面的研究，比如如何更加準確地激活神經或模擬電生理信號從而讓人體產生更真實的觸感。

對于機械制動器來說，則是通過設計可變形的交互界面或器件，來模擬皮膚表面觸摸真實物體時產生的變形，從而來實現觸覺反饋。

人體之所以能感受到豐富的觸覺信息，就是因為我們在觸碰不同物體的時候可以獲得多種維度的信息，它們協同作用可以給予我們豐富的觸感。

皮膚的熱觸感和紋理觸感功能，能感受到物體性質的兩個維度，當它們結合在一起，可以表達真實材質的豐富信息。其中的紋理觸感，能通過電刺激和機械刺激的協同作用而被激活。

因此，為了更加準確地激活人體皮膚產生觸覺，一個能夠提供多維度觸覺信號的反饋界面就顯得尤為重要。

對于觸覺反饋系統而言，最理想的狀態是：要么有可以完美再現并激活神經電信號的電刺激系統；要么有在宏觀尺度和微觀尺度都能完美模擬皮膚表面的微觀結構和受力變化的機械界面。

但是，目前這兩個路線的發展都存在明顯瓶頸。而將兩種刺激方式加以結合，剛好可以實現更好的觸覺反饋效果。

近日，一支科研團隊打破了這兩條路徑的壁壘，他們從皮膚觸覺傳感器的分布規律和神經激活規律出發，提出一個選擇性刺激不同觸覺感受器的原則。結合兩個路徑的各自優勢，可以實現更加豐富的觸覺反饋效果。

基于此原則，他們設計并制備了一種貼皮式多模態觸覺反饋接口，它的最大優勢在于將多種反饋模式集成在一個器件里面，通過設計合理的激活原則，能給用戶提供更加豐富真實的多維度觸感。

對于貼皮式多模態觸覺反饋接口來說，它最直接的應用場景就是虛擬現實，也可用于娛樂或辦公。

日前，相關論文以《用于沉浸式觸覺反饋的貼皮式多模態觸覺界面》為題發表。

中國香港城市大學博士后黃雅博士、博士生周靖昆先生和柯平川博士、以及大連理工大學博士生郭旭擔任共同第一作者。

黃雅表示，自己在進入觸覺反饋領域的早期，就有做多模態觸覺反饋界面的想法。當時，在體驗不同的反饋方式之后，發現它們能提供的觸感差異很大。

而通過進一步學習人體如何產生觸覺的基礎生物知識，了解到觸覺的產生是一個非常復雜的過程。

那么，大面積高密度的這種傳感器布局是否會增加新的感受體驗？對于設計觸覺反饋界面來說，關鍵在于理解人體各個部位的觸覺分辨率極限，以及反饋器件需要實現的目的。

比如要想區分不同的圖形，就需要提高點對點的分辨率。這時，制備密度遠高于人體皮膚兩點分辨率的制動器，其實并沒有很大意義。

但是，對于模擬更加真實材質的觸感反饋來說，為了模擬皮膚與不同表面交互過程中微觀形貌所導致的皮膚變形，交互界面的制動器密度肯定是越高越好。

而對于電刺激來說，目前選擇性激活感受神經產生的觸感位置，依舊很容易與實際電極位置產生偏移，這是由于有時人類大腦處理感受神經電信號產生的感覺位置，與實際刺激位置存在偏差。

因此，此時再繼續提高電極分布密度的意義，就得根據具體目標加以具體考慮。而在現有的觸覺反饋器件中，哪些硬件傳感器已經被用于模擬人體皮膚上的多種感受？事實上，觸覺傳感器和觸覺反饋是兩個不同的概念。

觸覺傳感器，相當于人機交互界面的入口，是一種采集信號的模塊，它通過機器人、人體或其他物體相互之間交互發生的觸碰等行為引起傳感器輸出信號的變化，然后該輸入信號可以用于進一步分析。

一般來說，人們通過傳感器來檢測真實情況，并根據傳感器的信號去獲取真實世界的信息。對于傳感器的設計來說，柔性電子領域的學者已經開展了大量研究，后來人們發現可以通過材料改性、結構設計等提升傳感器的性能。

觸覺反饋，則是人機交互界面的一類出口，目的是使人體產生感覺從而傳遞信息給用戶。對于普通人來說，提起觸覺反饋可能想到的就是如何能在虛擬現實里面獲得真實材料的觸感。

舉個簡單的例子，手機震動也可以作為一種觸覺反饋。所以寬泛來講，任何制動器界面只要能讓人體感受到觸感，就可以稱為觸覺反饋。

但是，如果想針對某些特定應用提供合適的觸覺反饋，或者選擇性地提供不同感受的觸覺反饋，甚至模擬一些真實材質的觸感，依舊存在一定難度。

在可穿戴界面領域之中，目前針對觸覺反饋的研究相對較少。不過近些年隨著虛擬現實概念的流行，它正受到越來越多的關注。

而對于本次研發的貼皮式多模態觸覺反饋接口來說，未來其還有繼續被小型化的可能。

事實上，電刺激電極的小型化十分簡單，只需要把電極尺寸減小即可。同時，機械制動器尺寸也可以被減小，但是在同樣情況之下所產生的震動強度也會下降。

對于熱電模塊來說，也可以通過優化加工方式等途徑減小尺寸，但是同樣會面臨溫度調控能力下降等問題。總的來說，觸覺反饋領域還有很大的發展空間。

單純從反饋界面來講，還可以開展材料改性、機械結構優化、神經電生理學等和觸覺反饋息息相關的課題。

如果再考慮到后續的應用，那么機器算法、數據處理、甚至用戶心理學，也都是值得探索的問題。（綜合整理報道）（策劃/萊西）