Nature：黄永刚/Rogers为可穿戴智能器件带来里程碑进展！
Natt
2019-11-22
作者丨Natt
校审丨未央
让听觉障碍者可以感知音乐的美妙，让肢体残疾者可以感受游戏的快乐。现在，随着可穿戴器件和VR/AR技术的不断发展，那些只在科幻电影中出现的桥段，也慢慢走入现实生活中。
2002年，CuteCircuit公司发明了全球首创的触觉通信可穿戴衣服Hug Shirt，并于2006年被《时代》杂志评为年度最佳发明之一。这种衬衣和常规衣服材质和外观几乎没有区别，但是能够将音乐转化为一种触觉，让听力障碍者感知。2014年，巴西世界杯。一个双腿残疾的少年，通过脑接入智能设备，以意念控制肢体动作，为世界杯开幕式开球，惊艳世界。VR/AR的一个重要未来在于发展一种全面的、身临其境的体验，这种体验不仅包括交互式图像和声音，还包括触摸感。具有这类多感官能力的技术将产生深远的影响，涉及领域从社交媒体和通信到游戏和娱乐，再到临床医学、康复和恢复。皮肤是人体最大的器官，机械感受器分布在皮肤和真皮层内，构成我们与世界物理交互作用的基础。具体来说，对皮肤上力的时空模式的响应会作为信号传递到大脑，这些信号定义了我们对周围环境的机械感觉。然而，由感觉受体检测到的刺激被编码成电信号，该信号沿着神经通路移动到大脑的特定部位，然后被解码成有用的信息。整个过程非常复杂。例如，触摸感是包括压力、疼痛和温度在内的多种感觉的集合，且触觉感受器更由机械、化学和热能的组合所刺激。然而，到目前为止，将触摸感融合到VR和AR中一直是一个巨大的挑战。有鉴于此，美国西北大学黄永刚院士和John A·Rogers院士等人首次实现将复杂的触摸感融合到VR和AR中。他们发展了一种无线，无电池的电子系统平台和触觉界面，能够轻柔地层压在皮肤的曲面上，以通过时空可编程的局部机械振动模式来传递信息。触觉致动器通过无线供电和控制，以及能压层贴合任何类型皮肤，使其具有低耗能和安全便捷性。研究团队详细描述了用作此类平台基础所使用的材料，设备结构，功率传输策略和通信方案。由此产生的技术创造了许多使用机会，如通过在社交媒体和个人参与、假肢控制和反馈、游戏和娱乐中的应用，皮肤向身体提供电子可编程通信和感官输入通道。该表皮虚拟现实界面的结构采用多层堆叠的形式，包括：功能层的电子部分由一组聚酰亚胺包裹的铜圈组成，并根据可拉伸电子产品中的定量设计规则设计成丝状蛇形。这些走线将一系列小型芯片级集成电路组件和无源元件互连起来，包括磁射频（RF）环形天线结构、集成电路（IC）开关等。系统芯片（SoC）ICs包括具有近场通信（NFC）功能和通用输入/输出功能的微控制器，用作分布式机械振动执行器的控制接口，称之为触觉致动器。
图2. 触觉致动器的组成
每个致动器包括两个连接部分：密封在聚合物中的铜线线圈和安装在聚合物梁上的永磁体，形成了一个悬臂状的平台，以能够通过磁铁和线圈电流之间的相互作用来驱动。此外，对于相同的电功率，致动器尺寸减少一个数量级可使磁体在振动过程中的加速度增加三倍以上，所以可通过减小致动器的尺寸，可以进一步降低功耗。通过优化的设计，这些触觉致动器仅需要约1.75 mW的功率，即可在指尖和手上产生明显的感官响应，且无热效应产生。此外，与不同强度的模型作用，其频率值几乎没有变化，因此该触觉致动器适用于不同年龄和身体不同部位的皮肤特征。而且柔软、可变形的平台在人体任何区域都能建立舒适、无刺激的皮肤接触界面。该设备的主要特点是其致动器阵列是无线供电和控制的。该系统使用主天线进行功率传输，使用一些其他天线来控制和驱动致动器，并使用中间天线来增强从主天线收集的功率。实验发现包含中间天线使收集到的功率增加了大约三倍。并且确定该设备符合辐射暴露和组织吸收的安全水平的准则。研究人员总结了系统架构和总体操作。第一部分通过主线圈经由发送天线获取功率。第二部分通过互连的SoCs阵列提供控制和通信，每个SoC具有单独的小型控制天线，并通过其通用输入/输出端口对八个触觉致动器进行操作控制。这样，一个SoC/IC开关组合可同时和独立地控制/操作八个执行器。将这种架构扩展到多个单元，可以得到具有任意数量执行器的系统，而不受限制。电源与平台之间的距离需要小于1米左右，使该技术适合于VR/AR中的某些应用。文中描述三个具体的例子：（1）一个女孩触摸一个显示她祖母视频的屏幕；祖母通过她手上和手臂上的设备感知触摸。（2）一个被截肢的人用一个有机械手的假肢抓住一个物体；他上臂上的一个装置产生一种能再现物体形状的感觉模式。（3）玩基于战斗的视频游戏的人在身体上佩戴多个设备；当游戏角色的相应身体部位发生攻击时，这些设备将被激活。综上所述，表皮虚拟现实系统利用了薄而软的结构，能够直接层压在皮肤上，并采用轻量化、无电池设计，在无线操作模式下对大型微型触觉致动器阵列进行可编程控制。社交媒体互动、假肢反馈和视频游戏中的演示说明该设备具有广泛的潜在应用，这些应用还包括个性化康复、手术训练、教育反馈和多媒体娱乐体验系统。但该系统在通过增加皮肤界面的机械驱动强度方面还存在许多需要改善性能的地方。【1】Yu, X., Xie,Z., Yu, Y. et al. Skin-integrated wireless haptic interfacesfor virtual and augmented reality. Nature 2019，575, 473–479.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1687-0【2】Xiao-ming Tao. Virtual and augmentedreality enhanced by touch. Nature 2019, 575, 453-454.https://www.nature.com/articles/d41586-019-03506-3黄永刚，男，固体力学家。1962年11月生于北京。1984年获北京大学学士，1990年获哈佛大学博士。现任美国西北大学冠名讲席教授。2010年当选欧洲科学与艺术院院士，2017年当选美国国家工程院院士和欧洲科学院院士。他是美国固体力学领域75岁以下科学院或工程院院士中文章引用率最高的学者；是二十年来(1998-2017)世界固体力学领域文章引用率最高的学者；是迄今为止世界固体力学领域文章引用率最高的华人学者。2017年当选为中国科学院外籍院士。
John A. Rogers院士，1995年在麻省理工学院(MIT)获得了物理化学博士学位，之后曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究组组长。从2003年开始，Rogers教授在伊利诺伊大学香槟分校担任化学工程系教授至今。并从今年9月份开始，担任西北大学生物集成电子中心的教授兼主任。
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