支持遠程觸摸的“虛擬皮膚”誕生，可與人體集成

孫滔

孩子想念祖母了，于是在平板電腦視頻通話的時候觸摸祖母的手臂，另一端佩戴電子皮膚的祖母立即感受到了孩子的撫觸;男子在假肢機械手臂裝上電子皮膚，當拿起手機時，頓時有了持握反饋;游戲玩家在手臂、胸部和背部佩戴電子皮膚之后，當游戲角色受到相應(yīng)部位打擊時，玩家也感同身受。這些場景已不再是夢想，超越目前已經(jīng)實現(xiàn)的語音和視頻通訊，撫觸通訊時代到來了。

11月21日，《自然》雜志發(fā)表的一項研究報道了一種在皮膚表面的無線觸覺反饋界面。這個裝置通過機械振動的方式進行通訊，可作為虛擬現(xiàn)實（VR）合成皮膚，可讓你與遠方的親友牽手，還能在互聯(lián)網(wǎng)游戲中感受到隊友的拍肩鼓勵，當然，這個裝置也可用于醫(yī)學。

文章通訊作者之一、美國西北大學材料科學和生物醫(yī)學工程教授約翰·A·羅杰斯表示，這個研究第一次在人體皮膚上大面積實現(xiàn)了靈活且復雜的虛擬觸摸，超越了音頻和視頻通訊，是VR/AR（虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)）質(zhì)的飛躍。

一位母親在電腦屏幕上虛擬撫摸孩子

皮膚VR

目前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)大都是通過頭戴式顯示器、加速度傳感器和揚聲器作為計算機模擬三維環(huán)境的基礎(chǔ)，但這些技術(shù)缺失了觸摸感。要知道，皮膚是我們最大的器官，其中遍布的機械感受器帶來的觸摸感是我們與世界互動的基礎(chǔ)。

此前已經(jīng)實現(xiàn)的可通信VR“皮膚”，需要借助緊貼在佩戴者身體上的有線電極，這些電極通過產(chǎn)生振動來刺激感官體驗。但事實證明，要找到既能產(chǎn)生讓用戶反應(yīng)的合適電壓和電流，又不給皮膚造成疼痛或電刺激損傷，絕非易事。

而這款新的皮膚VR系統(tǒng)采用了不同的技術(shù)路徑，它通過嵌入薄而柔軟的微型驅(qū)動器來傳遞觸感。羅杰斯團隊長期從事皮膚可穿戴設(shè)備的研究，他們將可穿戴設(shè)備、微型驅(qū)動器等大量組件組合在一起，希望用戶能從皮膚得到反饋，而不是此前研究關(guān)注的從皮膚中獲取信息。

美國西北大學這款裝置原型為15厘米x15厘米，無需電池和電線，其中有32個毫米級微型驅(qū)動器，每個驅(qū)動器1.4克，直徑為12厘米一18毫米，厚度為2.5毫米。驅(qū)動器嵌入到柔軟的硅樹脂中，每個驅(qū)動器可以獨立產(chǎn)生每秒最多200次振動的觸感。

要讓那個這款裝置更舒適，那么就需要柔性界面。裝置中的驅(qū)動器被嵌入到薄而柔軟的有機硅聚合物中，無需膠帶即可粘附到皮膚上。其通信方式采用近場通信（NFC），這也是我們平時常用的一種電子支付技術(shù)。如此成就了一個薄而輕的裝置，且可無限期佩戴使用。羅杰斯說，他們已經(jīng)可以實現(xiàn)通過用戶圖形界面，可即時調(diào)整每個驅(qū)動器的頻率和幅度。

該裝置可以與平板電腦進行無線通訊。當用戶在觸摸屏界面畫出“x”圖案時，裝置即可在皮膚上實時產(chǎn)生“x”圖案的觸感。當人們進行遠程聊天時，親友可以通過伸手進行虛擬撫觸，其力度可以通過觸摸屏界面來設(shè)置。

這款電子皮膚就像硅和金屬造就的千層面

加勒特·安德森是一名伊拉克戰(zhàn)爭中失去右臂的陸軍老兵，2005年10月15日，炸彈碎片削斷了他的手臂。他在戴上美國西北大學的裝置后，明顯感受到了假肢指尖傳到手臂的壓力。羅杰斯認為，經(jīng)過長時間磨合，大腦會將手臂上的感覺認為是假肢手指的感覺，這相當于重現(xiàn)了手指的觸摸感。

靈敏度如何呢？羅杰斯表示，與強有力的“戳”不同，這種觸摸是一種輕柔的感覺，因為可編程，驅(qū)動器的力度、振幅和頻率都是可控、可調(diào)的。

文章通訊作者之一、美國西北大學機械工程系教授黃永剛則表示，基于精巧的力學設(shè)計，該裝置中驅(qū)動器僅需要1.75毫瓦的功率就能誘發(fā)較強的觸感，通常市面現(xiàn)有驅(qū)動器需要大于100毫瓦的輸入功率。

至于舒適性，皮膚接觸到貼片裝置很舒適。黃永剛介紹，該設(shè)備由微型化的可程序化控制的驅(qū)動器整列嵌入到柔軟輕?。?毫米）的橡膠材料構(gòu)成。因此整個裝置可輕柔的與人體集成，而不產(chǎn)生任何的約束感，同時可對人體表皮產(chǎn)生明顯的觸感。正如在《自然》文章中提到的，在社交媒體、游戲娛樂和假肢控制方面，用戶都獲得了完美的體驗。

觸摸顯示器上的圖像，佩戴電子皮膚的人就會感受到觸摸。從黃色到紅色，表示微型驅(qū)動器的激活程度

有望實現(xiàn)全身VR

黃永剛表示，這項研究極大地擴展了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的刺激方式和功能。從傳統(tǒng)的視覺和聽覺刺激到觸覺界面，首次通過可編程機械震動刺激皮膚的方式實現(xiàn)/轉(zhuǎn)遞人體對外部世界的虛擬增強體驗。因為與眼睛和耳朵相比，AR和VR在皮膚感知層面的開發(fā)還遠遠不夠，而皮膚傳感則能極大增強體驗，以及拓展通信、娛樂和醫(yī)學的應(yīng)用。

研究人員正在努力拓展該裝置的使用范圍，比如開發(fā)可以發(fā)熱或拉伸力的驅(qū)動器，當有熱輸入的情況下，你可以通過假肢指尖感受到一杯咖啡的熱量。黃永剛說：“我們下一步共工作主要是實現(xiàn)更輕薄的、更高分表率的柔性皮膚觸覺界面，并豐富不同的皮膚刺激方式，比如熱刺激和拉伸觸感的實現(xiàn)等。”

更讓人興奮的是研究人員的最終設(shè)想，用成百上千個離散的可編程驅(qū)動器，將這個裝置擴展到全身。穿上特制的VR套裝，加上VR頭盔，游戲者可以完全沉浸在虛擬世界中。

中國香港理工大學紡織及制衣學講席教授陶肖明在《自然》雜志評論稱，鑒于人體皮膚可以分辨亞毫米級的觸覺，因此這個驅(qū)動器可以再加以微型化，縮小到原來1/10到1/3。

陶肖明指出，該裝置還有一些缺陷，比如每個驅(qū)動器電流高達5毫安，這要比大部分消費級電子產(chǎn)品的電流要高。另外，如果散熱管理不當，可能會影響微型驅(qū)動器性能表現(xiàn)以及讓皮膚發(fā)熱。還有就是，盡管驅(qū)動器的功率只有1.75毫瓦，但其總功耗可能會是限制該裝置持續(xù)無線通信的關(guān)鍵因素。這些問題最終的解決途徑要依靠進一步微型化驅(qū)動器。

在今年8月曾經(jīng)報道斯坦福大學鮑哲南團隊開發(fā)的無線皮膚傳感器，主要用于醫(yī)學檢測，可舒適、便捷監(jiān)測心跳、呼吸和運動。這項研究的第一作者、斯坦福大學博士后牛思淼表示，美國西北大學這項研究第一次實現(xiàn)了觸覺驅(qū)動器陣列與可拉伸近場通信技術(shù)的結(jié)合，同時實現(xiàn)了能量和控制指令的無線傳遞。

牛思淼認為，之前的研究主要是實現(xiàn)皮膚上傳感器信號的無線收集，這是第一次實現(xiàn)了無線控制可拉伸的皮膚驅(qū)動器陣列，美國西北大學的成果為最終實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)又邁出了重要一步，而閉環(huán)系統(tǒng)可以極大提升系統(tǒng)的復雜性和功能性。比如，在血糖控制上，閉環(huán)系統(tǒng)可以通過緊貼在皮膚上的傳感器陣列得到血液里的血糖含量，然后經(jīng)過NFC無線傳遞到中樞處理器進行分析控制。當需要干預(yù)的時候，中樞處理器發(fā)出指令，通過驅(qū)動器進行干預(yù)，來實現(xiàn)全自動的閉環(huán)血糖控制。

對于人們關(guān)心的商業(yè)化問題，羅杰斯說，這篇《自然》雜志論文只是一個起點，是學術(shù)研究的首次展示，也許在一兩年內(nèi)會有商業(yè)化進展。（摘自美《深科技》）（編輯/華生）