第一作者：林伟康，张东胜，李望维

通讯作者：杨征保和魏磊

通讯单位：腾讯Robotics X 实验室 和 香港城市大学

研究亮点：

1. 使用微电流刺激触觉小体及神经，实现超高分辨率（76dots/cm2）和超快速刷新（4 kHz）触觉渲染。

2. 提出一种高频调制的方法，将工作电压从传统的几百伏降低至30伏以下.

3. 利用人类对于触觉连续性的错觉，提出了一种新型的基于笔画的盲文渲染策略，使得盲人可以在阅读和书写时使用同样的一套文字系统。

4. 提出一个传感器-执行器系统，演示了使用者在带着厚重防护手套的情况下，依然可以拥有精细的触觉。

研究背景

随着技术的发展，我们现在可以通过手机或相机捕捉图像和声音，还可以将它们以数字形式保存，然后通过屏幕和扬声器高保真显示。然而，触觉作为人类重要的感知，几乎承担了我们日常生活中的所有交互运动，从温暖的握手或热情的拥抱到祝贺的拍背，这样重要的一种重要的感觉却难以重现。我们迫切的需要一个可以记录、尤其是重现触感的一套系统。

现有的触觉渲染系统主要可以分为两种，机械刺激或电刺激。通过在皮肤上施加局部机械力或振动 ，机械致动器可以引发稳定和连续的触觉感觉。然而，这些机械致动器往往体积庞大，在集成到便携式或可穿戴设备时严重限制了空间分辨率。由于驱动模式的原因，线性电机和气动执行器等机械执行器通常响应时间很慢。相比之下，电触觉刺激器可以轻巧灵活，同时提供更高的分辨率和更快的响应。然而，电信号需要数百伏的电压才能穿透高阻抗的角质层，这带来了安全问题。此外，鉴于人体皮肤的电特性随时间和个体间的高度可变性，需要连续校准程序以确保所呈现的感觉保持在用户的舒适范围内。

成果简介

有鉴于此，香港城市大学杨征保团队与腾讯Robotics X 实验室共同设计了一款可穿戴的具有超高分辨率的触觉渲染设备，通过微电流刺激皮肤下的触觉感受小体和神经，可以高保真度地实现各种触觉，例如压力、振动和纹理粗糙度。该设计相较于传统的电刺激设备，通过一种高频调制的方法，将工作电压从传统的几百伏降低至30伏以下。同时利用人类对于触觉连续性的错觉，提出了一种新型的基于笔画的盲文渲染策略，使得盲人可以在阅读和书写时使用同样的一套文字系统。

图 2. 高频交流电刺激的模拟和实验结果。(A) 人体皮肤电阻抗模型和等效电路示意图。(B) 不同频率下电流密度分布的仿真结果。(C) 触觉感知强度与刺激电压的关系；随着电压的增加，强度从轻微的触摸逐渐增加到尖锐的刺痛。误差线表示每个志愿者在多次测量中的测试结果的波动。(D) 电触觉系统呈现不同触觉强度的能力。可以通过调整每个改变电压的步长来改变可渲染强度级别的数量。用户可以以 85% 的准确度感受 20 种不同的强度级别。(E) 本工作中施加的电压和电极面积与其他电触觉设备的比较。(F) 粗糙感的示意图，主要由强度和振动频率决定。(G) 粗糙度感知与刺激电压和频率之间的关系。(H) 五种不同粗糙度表面的分类混淆矩阵。

图 3. 电触觉渲染系统的结构。(A) 整体控制系统示意图，由三部分组成，函数发生器产生所需的刺激电流AC1和AC2，电流监视器通过反馈控制保证输出感知的一致性，开关阵列分别管理每个电极的状态。(B) 刺激电流的波形。10 kHz 的方波由 40Hz 正弦波进行幅度调制。(C) 反馈控制策略下稳定的电触觉感知。

图 4. 超分辨率控制策略。(A) 5 × 5 电触觉装置渲染分辨率示意图（左）和不同刺激电极分布下电流密度模拟结果的俯视图（右）。25个方格代表电极的实际分布，其中红色、蓝色和空白分别代表电极在AC1、AC2和悬空时的状态。(B) 不同刺激电极分布下电流密度模拟结果剖面图。(C) 超分辨率策略下触觉渲染分辨率显著提高。(D) 不同渲染策略模式的示意图和这些模式的识别混淆矩阵，其中圆点表示正常分辨率站点，三角点表示超分辨率站点。

图 5. 字母和数字显示的字体盲文策略。(A) 字母“A”和数字“5”的笔画顺序及其基于字体盲文策略的触觉渲染控制策略。(B) 字体盲文策略中的十六种基本笔顺。(C) 英文字母和数字的混淆矩阵。其中一些仍然会混淆，例如“I”和“1”，“S”和“8”，“O”和“0”，“2”和“Z”。(D) 通过电触觉设备传输文本信息的示意图 (左) 和演示 (右)。

图 6. 电触觉渲染系统的应用。（A 和 B）虚拟和增强现实中的电触觉示例。(A) 在 VR 购物中感受衣服的触感和质感。(B) 与虚拟猫进行触摸交流，感受手指发痒的感觉以及通过手掌电触装置享受抚摸猫的触感。(C) 执行关键任务的宇航员的触觉恢复示意图。传感器阵列安装在手套外部以感应物体，而电触觉设备则安装在手套内部以呈现触觉信息。(D) 通过电触感渲染系统演示佩戴厚防护手套时对微小零件的快速和精确定位。

总结与展望

这里介绍的电触觉渲染系统与基于机械的刺激器相比，该系统更灵活、薄且轻，因此可以与手套等现有服装集成或扩展到覆盖更多区域，例如像手掌一样，不会过于笨重。与其他电刺激器相比，工作电压从几百幅降低至20-30V，同时还能具有非常高的触觉渲染分辨率。基于电刺激触觉渲染设备有一个弱点是难以在不激活 FA 受体的情况下仅精确刺激 SA 机械感受器，从而难以产生持续压力的感觉，所以该设备更适用于动态触感的渲染。不过鉴于电极非常灵活且重量轻，如果需要更高的真实性，它们可以与其他触觉反馈模式结合使用。

参考文献：

WeiKang Lin, et al. Super-resolution wearable electrotactile rendering system. Science advances, 2022.

DOI: 10.1126/sciadv.abp8738

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8738

作者简介

香港城市大学杨征保课题组致力于研究能量转换，频率响应和振动现象的机理和关系，研究主题包括智能传感器，压电材料和器件，阻尼效应和非线性振动，低功率电路和机电系统，应用于汽车行业、物联网、结构健康监控及可穿戴设备。欢迎感兴趣的同学和学者加入。

课题组网站：https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/