由西北大學領導的工程師團隊開發出了一種新型可穿戴設備，可以刺激皮膚產生一系列複雜的感覺。這款薄而柔韌的裝置可以輕柔地貼在肌膚上，提供更逼真、更身臨其境的感官體驗。雖然它非常適合遊戲和虛擬實境(VR)，但研究人員也看到了醫療保健領域的潛在應用。例如，該設備可以幫助有視力障礙的人「感受」周圍環境，或向義肢使用者提供回饋。

該設備由19 個執行器組成的六邊形陣列組成，可提供觸覺回饋。圖片來源：西北大學

該裝置提供一系列的感覺，例如振動、壓力和扭曲。研究最近發表在《自然》雜誌。

該設備是西北大學生物電子學先驅John A. Rogers 在穿戴式科技方面的最新進展。這項新研究以2019 年在《自然》雜誌上發表的論文為基礎，在論文中，他的團隊介紹了“表皮VR”，這是一種皮膚界面系統，可通過大面積皮膚上的一系列微型振動致動器傳遞觸覺，並實現快速無線控制。

「我們為皮膚設計的新型微型致動器比我們在2019 年的原始論文中用作演示工具的簡單『蜂鳴器』功能強大得多，」羅傑斯說。 「具體來說，這些微型設備可以在一系列頻率範圍內提供受控力，無需持續施加電力即可提供恆定的力。另一個版本允許相同的執行器在皮膚表面提供輕柔的扭轉運動，以補充提供垂直力的能力，從而增加感覺的真實感。”

用戶將新設備戴在脖子上以獲得感官回饋。圖片來源：西北大學

羅傑斯是路易斯辛普森和金伯利奎雷材料科學與工程、生物醫學工程和神經外科教授，任職於西北大學麥考密克工程學院和西北大學范伯格醫學院。他也擔任奎雷·辛普森生物電子研究所所長。

羅傑斯與西北大學的黃永剛、麥考密克大學機械工程系Jan and Marcia Achenbach 教授、中國西湖大學的蔣漢清和中國大連理工大學的謝兆乾共同領導了這項工作。蔣的團隊建造了實現扭轉運動所需的小型修改結構。

這款新設備由19 個小型磁力致動器組成，呈六邊形排列，封裝在薄而柔韌的矽膠網狀材料中。每個致動器都可以傳遞不同的感覺，包括壓力、振動和扭曲。該裝置使用智慧型手機中的藍牙技術接收有關人周圍環境的數據，並將其轉化為觸覺回饋——以一種感覺（如視覺）取代另一種感覺（觸覺）。

儘管該設備由一小塊電池供電，但它採用巧妙的“雙穩態”設計，節省了能源。這意味著它可以保持在兩個穩定的位置，而無需持續輸入能量。當致動器向下按壓時，它會將能量儲存在皮膚和設備的內部結構中。當執行器向上推回時，設備會使用少量的能量來釋放儲存的能量。因此，該設備僅在執行器改變位置時才使用能量。憑藉這種節能設計，該設備可以在一次電池充電的情況下運行更長時間。

「我們的想法不是對抗皮膚，而是最終將皮膚中儲存的能量以彈性能量的形式機械利用，並在設備運行過程中恢復，」論文第一作者馬修·弗萊文(Matthew Flavin) 表示。 “就像拉伸橡皮筋一樣，壓縮彈性皮膚可以儲存能量。然後，我們可以在傳遞感官反饋時重新應用這些能量，這最終是我們創建這種真正節能係統的基礎。”

從事這項研究時，弗拉文是羅傑斯實驗室的博士後研究員。現在，他是喬治亞理工學院電機與電腦工程系的助理教授。

為了測試裝置，研究人員蒙住健康受試者的眼睛，測試他們避開路上物體的能力、改變腳部位置以避免受傷的能力以及改變姿勢以改善平衡的能力。

一項實驗涉及一名受試者在障礙物中穿梭。當受試者接近物體時，設備會在其右上角以光強度的形式提供回饋。隨著受試者靠近物體，回饋變得更加強烈，並更接近設備的中心。

只需短時間的訓練，使用該設備的受試者就能即時改變行為。透過以機械資訊取代視覺訊息，該設備「操作起來與白手杖非常相似，但它整合的資訊比人們使用更常見的輔助工具所能獲得的資訊更多，」弗拉文說。

「作為幾個應用範例之一，我們展示了該系統可以支援基本版本的『視覺』，其形式是觸覺模式，基於使用智慧型手機上的3D 成像功能(LiDAR) 收集的數據，將觸覺模式傳遞到皮膚表面，」Rogers 說。 「這種『感官替代』提供了一種原始但功能上有意義的周圍環境感知，無需依賴視力——這種能力對有視力障礙的人來說很有用。”

編譯自/ ScitechDaily