支持遠(yuǎn)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(shí)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(jī)械手臂裝上電子皮膚，當(dāng)拿起手機(jī)時(shí)，頓時(shí)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(dāng)游戲角色受到相應(yīng)部位打擊時(shí)，玩家也感同身受。這些場(chǎng)景已不再是夢(mèng)想，超越目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音和視頻通訊，撫觸通訊時(shí)代到來(lái)了。

11月21日，《自然》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)道了一種在皮膚表面的無(wú)線觸覺(jué)反饋界面。這個(gè)裝置通過(guò)機(jī)械振動(dòng)的方式進(jìn)行通訊，可作為虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）合成皮膚，可讓你與遠(yuǎn)方的親友牽手，還能在互聯(lián)網(wǎng)游戲中感受到隊(duì)友的拍肩鼓勵(lì)，當(dāng)然，這個(gè)裝置也可用于醫(yī)學(xué)。

文章通訊作者之一、美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程教授約翰·A·羅杰斯表示，這個(gè)研究第一次在人體皮膚上大面積實(shí)現(xiàn)了靈活且復(fù)雜的虛擬觸摸，超越了音頻和視頻通訊，是VR/AR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)大都是通過(guò)頭戴式顯示器、加速度傳感器和揚(yáng)聲器作為計(jì)算機(jī)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(jī)械感受器帶來(lái)的觸摸感是我們與世界互動(dòng)的基礎(chǔ)。

此前已經(jīng)實(shí)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(guò)產(chǎn)生振動(dòng)來(lái)刺激感官體驗(yàn)。但事實(shí)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(guò)嵌入薄而柔軟的微型驅(qū)動(dòng)器來(lái)傳遞觸感。羅杰斯團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(dòng)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(guó)西北大學(xué)這款裝置原型為15厘米x15厘米，無(wú)需電池和電線，其中有32個(gè)毫米級(jí)微型驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器1.4克，直徑為12厘米一18毫米，厚度為2.5毫米。驅(qū)動(dòng)器嵌入到柔軟的硅樹(shù)脂中，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以獨(dú)立產(chǎn)生每秒最多200次振動(dòng)的觸感。

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

該裝置可以與平板電腦進(jìn)行無(wú)線通訊。當(dāng)用戶在觸摸屏界面畫(huà)出“x”圖案時(shí)，裝置即可在皮膚上實(shí)時(shí)產(chǎn)生“x”圖案的觸感。當(dāng)人們進(jìn)行遠(yuǎn)程聊天時(shí)，親友可以通過(guò)伸手進(jìn)行虛擬撫觸，其力度可以通過(guò)觸摸屏界面來(lái)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(zhēng)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(guó)西北大學(xué)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(rèn)為，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間磨合，大腦會(huì)將手臂上的感覺(jué)認(rèn)為是假肢手指的感覺(jué)，這相當(dāng)于重現(xiàn)了手指的觸摸感。

靈敏度如何呢？羅杰斯表示，與強(qiáng)有力的“戳”不同，這種觸摸是一種輕柔的感覺(jué)，因?yàn)榭删幊蹋?qū)動(dòng)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(guó)西北大學(xué)機(jī)械工程系教授黃永剛則表示，基于精巧的力學(xué)設(shè)計(jì)，該裝置中驅(qū)動(dòng)器僅需要1.75毫瓦的功率就能誘發(fā)較強(qiáng)的觸感，通常市面現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)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(dòng)器整列嵌入到柔軟輕薄（3毫米）的橡膠材料構(gòu)成。因此整個(gè)裝置可輕柔的與人體集成，而不產(chǎn)生任何的約束感，同時(shí)可對(duì)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(lè)和假肢控制方面，用戶都獲得了完美的體驗(yàn)。

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

有望實(shí)現(xiàn)全身VR

黃永剛表示，這項(xiàng)研究極大地?cái)U(kuò)展了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的刺激方式和功能。從傳統(tǒng)的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)刺激到觸覺(jué)界面，首次通過(guò)可編程機(jī)械震動(dòng)刺激皮膚的方式實(shí)現(xiàn)/轉(zhuǎn)遞人體對(duì)外部世界的虛擬增強(qiáng)體驗(yàn)。因?yàn)榕c眼睛和耳朵相比，AR和VR在皮膚感知層面的開(kāi)發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而皮膚傳感則能極大增強(qiáng)體驗(yàn)，以及拓展通信、娛樂(lè)和醫(yī)學(xué)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(kāi)發(fā)可以發(fā)熱或拉伸力的驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)有熱輸入的情況下，你可以通過(guò)假肢指尖感受到一杯咖啡的熱量。黃永剛說(shuō)：“我們下一步共工作主要是實(shí)現(xiàn)更輕薄的、更高分表率的柔性皮膚觸覺(jué)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(shí)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(gè)離散的可編程驅(qū)動(dòng)器，將這個(gè)裝置擴(kuò)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(guó)香港理工大學(xué)紡織及制衣學(xué)講席教授陶肖明在《自然》雜志評(píng)論稱，鑒于人體皮膚可以分辨亞毫米級(jí)的觸覺(jué)，因此這個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以再加以微型化，縮小到原來(lái)1/10到1/3。

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

在今年8月曾經(jīng)報(bào)道斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的無(wú)線皮膚傳感器，主要用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)，可舒適、便捷監(jiān)測(cè)心跳、呼吸和運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)研究的第一作者、斯坦福大學(xué)博士后牛思淼表示，美國(guó)西北大學(xué)這項(xiàng)研究第一次實(shí)現(xiàn)了觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器陣列與可拉伸近場(chǎng)通信技術(shù)的結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量和控制指令的無(wú)線傳遞。

牛思淼認(rèn)為，之前的研究主要是實(shí)現(xiàn)皮膚上傳感器信號(hào)的無(wú)線收集，這是第一次實(shí)現(xiàn)了無(wú)線控制可拉伸的皮膚驅(qū)動(dòng)器陣列，美國(guó)西北大學(xué)的成果為最終實(shí)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(fù)雜性和功能性。比如，在血糖控制上，閉環(huán)系統(tǒng)可以通過(guò)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(guò)NFC無(wú)線傳遞到中樞處理器進(jìn)行分析控制。當(dāng)需要干預(yù)的時(shí)候，中樞處理器發(fā)出指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行干預(yù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的閉環(huán)血糖控制。

對(duì)于人們關(guān)心的商業(yè)化問(wèn)題，羅杰斯說(shuō)，這篇《自然》雜志論文只是一個(gè)起點(diǎn)，是學(xué)術(shù)研究的首次展示，也許在一兩年內(nèi)會(huì)有商業(yè)化進(jìn)展。（摘自美《深科技》）（編輯/華生）