在沉浸式虚拟现实（VR）和增强现实（AR）体验中，生动的触觉反馈仍然是一大挑战。尤其不同个体或同一个体手部不同部位的触觉灵敏度差异都很大，因此迫切需要一种通用的策略将得到编码信息（基于敏感度特征）用于手部可靠的触觉反馈。现有技术存在着体积大，刚性强，被电线所束缚，阻碍了精确和自然舒适的提供触觉反馈。
香港城市大学Xinge Yu课题组，Wenjung Li课题组，Lidai Wang课题组和电子科技大学Junsheng Yu课题联合组报道了一种超薄的、微型的无线柔性电触觉系统（WeTac），通过对手部传递电流来实现触觉感知，在整个手部区域具有较高的像素密度。WeTac可以测量用户的感觉阈值以提供个性化的触觉反馈，通过对感知水平，时间和空间的精确控制，可以实现用户与虚拟物体的交互式触觉体验。该技术在虚拟触觉体验和人机交互领域具有巨大的潜力。
视频1 实时触觉反馈，用于模拟虚拟小鼠在手上运行时的压力（相同强度）和感觉（轻触），从食指尖到腕侧。![]()
图1 微型化无线电触觉系统示意图。(a) 驱动模块结构与部件的结构爆炸示意图；(b) 基于水凝胶电极手贴片的结构爆炸示意图；(c) 电触觉机理和WeTac触觉反馈在虚拟现实体验应用的示意图；(d) 用于实现触觉的典型脉冲电流波形，inset：放大的单个脉冲的细节，持续时间为1 ms；(e) 整个WeTac系统的光学照片。包括驱动模块与基于水凝胶的电极手贴片，通过ACF进行连接；(f) WeTac 系统佩戴于手上的光学照片；(g) 附着在前臂的柔性驱动装置的照片。
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图2 WeTac系统的电性能及指尖触觉反馈性能表征。(a) WeTac 系统框图与定制化手机APP示意图；(b) 通过改变电路中的电阻可以调节最大输出电压；(c) 输出脉冲波形的脉宽可调；(d) 通过电流控制模块可以实现对于电流强度的控制；(e) 水凝胶电极刺激食指的光学照片，Inset：电极片的光学照片；(f) 不同刺激参数下触觉感知水平分布。电流强度固定于0.7 mA左右。N：没有感觉；W：微弱的感觉；G：柔和的接触；A：适当的接触；S：轻微不适；U：不舒服；(g) DAC输出电压与允许峰值电流强度的关系及不同频率下的感觉舒适区；(h) 刺激频率与触觉感知阈值电流的关系图。![]()
图3 手部阈值结果表征。(a) 不同性别和不同年龄之间的平均阈值比较；(b) 14名志愿者全手阈值范围示意图，根据性别分成两个图，每个图按年龄进行细分；(c) 水凝胶电极在手上分布的光学照片，对不同通道进行标记；(d) 男性和女性手的平均阈值图；(e) 不同年龄段手的平均阈值图；(f) 25 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz下5种感觉的阈值电流图；(g) 手部六个主要区域的示意图；(h) 25 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz下对于手部六个主要区域不同感觉下的阈值电流图。
视频2 WeTac系统在VR交互应用中的演示，当用户抓住虚拟网球时，电触觉反馈应用到用户的五个手指上。![]()
图4 WeTac在增强现实（AR）中的应用。(a) 利用WeTac设备反馈抓取虚拟网球的AR场景；(b) 将压力信号转化为反馈电流的参数转换原理；(c) 现实中抓球时手上的压力分布；(d) 抓取过程中，手部32个部位的实时压力曲线。(e) 32通道实际输出刺激电流的表征；(f) 在AR场景中，虚拟小鼠向前跳跃，在手掌的每个位置停留一段时间；(g) 虚拟小鼠在手掌实时反馈的电流强度变化；(h) 测量通过每个刺激通道的实时电流输出。
触觉反馈在VR，AR和人机交互中是视觉反馈和听觉反馈的重要补充。皮肤作为人体最大的感知器官，具有无限的应用潜力。本文作者开发了一种轻薄、柔软、轻便、可穿戴、可无线操作的电触觉系统，用一种思路攻克了个体触觉敏感差异的问题，并集成了最为先进的触觉界面系统，可以根据个体的阈值映射将触觉感受传递到手部的各个部位，使用户与虚拟世界的交互更加自然。在现阶段，WeTac系统在通道数量、单相脉冲以及单通道内电流强度/频率的动态调制等方面仍有着较大的提升空间，通过两点辨别测试确定最大密度、增加多路复用器、引入大容量柔性电池、使用先进soc等方法来深度挖掘这个领域的可能性。皮肤集成的无线触觉界面在未来还可以帮助其他领域的发展，如机器人的远程控制、假肢的感觉反馈、灾难预警、技能培训、教育等。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s42256-022-00543-y
【通讯作者】
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于欣格，香港城市大学生物医学工程系副教授、博导，香港城市大学-中科院机器人联合实验室副主任。《麻省理工科技评论》创新35人、优秀青年科学基金（港澳）、IEEE纳米医学发明家、MINE青年科学家、日内瓦发明金奖等荣誉奖项的获得者。从事新型柔性电子在触觉反馈、虚拟现实，以及生物医疗领域中应用的研究。近年来，以第一作者和通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Machine
Intelligence、Science Advances、PNAS、Nature Communications等学术期刊发表论文130余篇。
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