Nature Electronics：这个传感器，只有18g！

小奇

2025-12-25

触觉界面旨在传达触觉，可分为皮肤反馈和动觉反馈设备。皮肤反馈设备主要通过振动触觉、热和皮肤变形等刺激皮肤机械感受器；而动觉反馈设备则提供更大的力和扭矩，以模拟物体形状和刚度，从而产生更深层次的、基于关节的感觉。近年，也有团队开发了结合皮肤反馈和动觉反馈的多模态触觉界面，以提供更真实的触觉体验。然而，可穿戴性是此类界面广泛应用的重要制约因素。虽然可穿戴式皮肤触觉界面相对常见，但动觉设备的体积和重量仍是一个问题。

现有的可穿戴式触觉界面通常聚焦于手和手指，这是由于它们自由度高且机械感受器密度高，是人类进行物理交互的主要部位。基于手指的触觉界面往往侧重于振动触觉或热反馈，而动觉力反馈能力有限。手指在产生很大的力的同时还能感知微小的力增量。因此，手指动觉触觉界面必须准确呈现力和扭矩，以传达真实的触觉体验。然而，大多数现有设计体积庞大且重量较重，因为它们依赖刚性机构和传统机电电机来产生这些力。其他方法包括用于触觉手套的软流体驱动驱动器和用于小型化的折叠机制，如紧凑型手持动觉操纵杆。这些解决方案缺乏嵌入式多轴力传感以确保准确性，而是依赖力估计。

高保真力反馈在动觉可穿戴设备中需要具有良好线性灵敏度和快速响应的力传感。特别是，需要在紧凑型外形中实现能够实时检测多轴力大小和方向的力传感器。已探索了各种类型的力传感器，包括电容式、电阻式、磁性、压电式和摩擦电式传感器。其中，压阻式力传感器因其结构简单和操作机制而备受关注。通过微结构可以优化压阻式力传感器的性能。分层和堆叠结构等架构，可以针对特定或宽带检测应用调整传感器灵敏度。例如，堆叠互锁穹顶几何结构可提供可调的线性灵敏度。生物启发的分层结构阵列也已被用于提高灵敏度和线性度，微结构弹性体几何结构已被用于调整灵敏度。此外，分级可填充架构已被用于提供宽范围和高灵敏度。功能性导电复合材料可用于同时检测多种刺激。然而，复合材料传感器往往易受环境因素影响，这可能会随时间降低其性能，湿度和温度波动等因素可能会影响其长期稳定性。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院的Jamie Paik教授和韩国水原成均馆大学的Sunkook Kim教授合作报告了一款可提供动觉和本体感觉反馈的可穿戴式触觉戒指，称之为OriRing，重量为18克，通过紧凑型外形、高功率重量比软质气动驱动器、折纸传动装置、折叠接头以及轻质力和位置传感器，提供高达6.5牛的力反馈。该戒指可检测多轴触觉交互，并通过其内置的三轴力传感皮肤和喷墨打印弯曲传感器重现虚拟物体的形状和刚度。三轴力传感皮肤由两层堆叠而成：上层具有三维（3D）微结构，下层分割为四个电阻型扩展电极区域。

使用拓扑优化的3D微结构，采用高精度微制造技术制造，并在两层上设计图案。因此，该传感器具有高灵敏度、线性度和快速响应时间。该传感器可分离法向力和剪切力，提供对复杂人机交互的准确检测。凭借这种多模态传感和驱动能力，OriRing可在在线和虚拟环境中提供双向触觉通信。为了展示该方法在虚拟现实中的能力，开发一个定制的VR环境，用户可在其中与虚拟物体交互，通过触觉线索接收大小和刚度信息。OriRing的多模态传感器允许用户通过直观的滑动手势修改虚拟物体的属性，如大小和刚度。

图：带有三轴力感皮肤的可穿戴触觉力反馈环

力反馈触觉戒指设计：

OriRing是一款手指大小的、多模态触觉界面，可实现数字世界与物理世界之间的双向触觉通信。它配备了先进的传感器，能够捕捉触摸交互并将其转化为数字信号，同时提供动觉力反馈。该设备采用单自由度（DoF）折纸传动装置，这一设计是特意为了便于设备小型化，使其能够以低成本、轻量且紧凑的外形适用于日常佩戴，同时不牺牲性能。OriRing的三轴力传感皮肤、配备传感器的折叠铰链以及高功率密度气动驱动器使其能够提供高达6.5牛的力输出，且重量仅为18克。这使得它佩戴在手指上时十分舒适，并且成为现有主动动觉反馈可穿戴技术中重量最轻、力重量比和力传感密度最高的设备之一。

尽管OriRing采用单自由度驱动，但它支持广泛的触觉交互，包括刚度和形状呈现以及按压或抓握模拟。此外，集成多自由度软质力传感器通过实现剪切力和法向力的检测，扩展了其交互空间。通过将丰富的多模态传感与简化的驱动方案相结合，OriRing展示了如何在极小的硬件空间内实现多样化的用户交互。这种在简洁性与功能性之间的平衡是该设备设计的核心目标。

OriRing由几个关键部件组成：基于折叠的棱柱关节、戒指框架、软质气动驱动器（SPAs）、激光烧蚀的三轴力传感皮肤以及喷墨打印的弯曲传感器。采用受折纸启发的制造技术，可实现紧凑的机构设计，消除机械摩擦，增强结构透明度并最小化装配要求。驱动是通过安装在相对的基座铰链上并连接到共享输入压力源的两个囊式电机实现的。这种对称配置增强了力输出并保持了平衡驱动。囊式驱动器在150千帕的输入压力下可产生高达6.5牛的力，且无需齿轮箱，而齿轮箱往往会引入摩擦和回差。其紧凑且轻便的特性使其成为优先考虑性能和舒适性的可穿戴触觉界面的理想选择。

在传感方面，OriRing具备位置和力传感能力。嵌入在基座铰链内的模块化喷墨打印弯曲角度传感器可测量棱柱关节的垂直位移。这些配备传感器的铰链兼具销关节和传感元件的双重功能，降低了机械复杂性并实现了进一步的小型化。为了提高准确性，传感器成对使用，这有助于线性化读数并最小化传感漂移。此外，安装在棱柱关节顶部的软质多轴力传感皮肤在一次校准过程后，可测量施加在OriRing上的法向力和剪切力。这种三轴传感能力可实现对力和刚度的闭环控制。能够检测不同轴向上的剪切力，使得诸如定向滑动等交互模式成为可能，这些模式可作为虚拟现实（VR）应用中的数字输入。OriRing可重现虚拟物体的力、刚度和形状信息。一个嵌套的闭环系统集成了压力、位置和力控制，可调节OriRing的高度和刚度。该控制系统分别实现了20赫兹和3赫兹的压力和力控制带宽。OriRing重18克（不包括气动控制单元），是专为各种虚拟现实和增强现实场景中的动觉反馈而设计的微型可穿戴触觉界面。

图：OriRing设计与性能概述

三轴力传感皮肤设计：

三轴力传感皮肤通过其设计以及拓扑优化的二维图案和三维微结构，实现了法向力与剪切力的解耦，并具备高灵敏度、高线性度和快速响应时间。它由上下两层组成，中间由双面胶制成的间隔层隔开。上层采用快速激光烧蚀技术，设计有层次排列的软质微金字塔阵列。下层则设计了四个电阻像素，每个像素都包含一条呈蛇形排列的细金属条。这种2×2矩阵像素配置能够识别施加力的方向。这两层均经过专门设计，以提高整体灵敏度，并保持高线性度和宽力检测范围。层间的间隔层在最小化施加力释放过程中产生的电气噪声方面发挥着关键作用，从而提高了信号清晰度。

传感器的工作原理如下图所示。当施加法向力时，上层上的微金字塔与下层上标记为R1、R2、R3和R4的四个电阻元件接触。这种接触增加了两层之间的金属界面面积，导致所有四个像素的电阻降低。当施加剪切力时，微金字塔的压缩会逐渐在像素间转移。例如，向前移动的剪切力会使像素R3和R4的压缩程度大于R1和R2，同时减少对后方像素的压缩。这种渐进变化使传感器能够确定沿x、y和z轴施加的力的大小和方向。传感器的像素数量特意限制为四个，以简化设计、降低数据评估的复杂性，同时保持足够的分辨率以进行力测量。

为了优化传感器在灵敏度、线性度和宽范围检测方面的性能，在传感器的上下两层均引入了微结构。性能优化通过以下三种图案化方式实现：（1）三维微结构的几何形状；（2）上层微结构上导电层的涂层图案；（3）下层导电蛇形图案。

对于上述（1），研究了三种类型的微结构几何形状：平顶金字塔、等高金字塔和多高度金字塔。这些几何形状是通过在烧蚀上层表面时调整激光扫描线之间的距离来创建的。对于平顶和等高金字塔，扫描距离保持均匀，而对于多高度金字塔，则采用梯度间距以实现不同高度。上下层均无图案的传感器在施加力时电阻变化可忽略不计，这强调了（2）和（3）对于增强传感器性能的必要性。

对于（2），上层导电层被图案化为不同密度的正方形阵列：100方阵、400方阵和900方阵。对于（3），下层蛇形导电图案的面积覆盖密度有所变化。考虑了三种配置：无图案、高密度图案和低密度图案。这些迭代对于确定实现所需传感器特性的最佳图案化参数至关重要。作为优化的第一步，使用相同的多高度金字塔结构作为三维微结构，并测试不同图案化的上层（2）和下层（3）的组合。通过力-电阻实验确定实现最高线性度的最佳图案组合后，固定组合并评估不同的金字塔几何形状（1），以确定具有最高线性灵敏度的配置。（2）和（3）组合的优化依据相对电阻（R/R0）随施加力的变化。当下层无图案时，无论上层是否有图案，电阻变化均可忽略不计。对于高密度图案化的下层，电阻变化发生得较为突然，因为施加力时多高度金字塔会同时接触许多蛇形线。相比之下，对于低密度图案化的下层，电阻变化发生得更为渐进，因为多高度金字塔与蛇形线的接触点有限。基于实验评估，确定上层具有900方阵、下层具有低密度（27%）蛇形图案和多高度金字塔几何形状的传感器为实施三轴力传感皮肤的最佳配置。该配置在高达8N的力范围内实现了-0.0625 kΩ N⁻¹的灵敏度和0.971的线性度。

图：三轴力感应皮肤设计

传感器的优化线性灵敏度至关重要，因为它减少了对外部算法或复杂计算进行准确力传感的依赖。此外，它确保了在整个检测范围内具有一致的力检测分辨率，这是开发可靠力反馈触觉界面的关键属性。

使用定制的实验装置对优化后的三轴力传感皮肤对法向力和剪切力的响应进行了表征。当法向力施加在由电阻元件R1 - R4代表的四个像素上时，可观察到这四个像素的电阻均一致降低。同样地，在持续撤去该力时，电阻会恢复到初始值。特别是对于像素R3，随着施加力的逐步增加，其电阻呈阶梯式下降，而在完全撤去压力后，电阻会迅速恢复到初始值。通过循环测试评估了传感器在反复机械加载下的耐用性和可重复性。在四个像素上反复加载和卸载法向力时，传感器表现出一致的响应。此外，在超过10,000次循环、循环载荷为8N的条件下，传感器展现了长期稳定性，输出稳定且信号漂移极小。相反，当在三轴力传感皮肤表面沿x和y方向施加剪切力时，电阻会以反映力的方向的方式变化，各像素的电阻值相应增加或减少。最初，施加在传感器上的法向力会导致所有像素的电阻降低，当力保持恒定时，电阻会保持稳定响应。随后，当施加剪切力时，像素R1和R2的电阻增加，而像素R3和R4的电阻降低。这种行为是由施加的剪切力引起的压缩力相对差异导致的。

该传感器对于轻触和重触的恢复时间分别约为12毫秒和93毫秒。它能够检测低于0.05N的力，该力值处于指尖可检测的最小力范围内。此外，在高达200N的法向力加载和卸载循环过程中，观察到的滞后现象可忽略不计。这些特性提升了三轴力传感皮肤的性能，其具有宽泛的力传感范围、柔软且薄的结构以及基于激光的制造工艺，性能优于其他前沿传感器。凭借其能够以高线性度和高灵敏度检测并解耦三轴力的能力，当三轴力传感皮肤与OriRing集成时，可为扩展现实应用实现闭环、高保真力反馈和复杂交互功能。

图：三轴力感应皮肤的表征

与扩展现实的触觉交互：

下图为展示将日常配饰转变为智能物理交互设备的过程，将OriRing作为用户与数字世界之间的双向交互界面加以部署。通过多轴交互，用户能够发送数字控制指令并接收触觉反馈，从而获得沉浸式体验。作为概念验证，开发了一个定制的VR环境，在该环境中，一只手部虚拟形象用拇指和食指捏住一个虚拟长方体。OriRing通过将VR中的数据转化为触觉提示，来呈现长方体的高度和刚度，同时将用户生成的输入传回VR系统。

在此设置中，OriRing通过提供实时触觉反馈和视觉强化来增强沉浸感。设备捕获的高度数据会调整虚拟手的抓握方式，压缩长方体并提供互补的视觉提示。此外，OriRing的三轴力传感皮肤检测到的滑动手势可控制长方体的属性：沿x轴滑动可调整长方体的大小，同时伴有视觉缩放以及OriRing静止位置的变化，以模拟高度变化。沿y轴滑动可改变长方体的刚度，这通过颜色饱和度的变化以及触觉刚度反馈的即时更新来体现。这种双向交互能力展示了OriRing在小尺寸下无缝集成触觉反馈的潜力。

为评估OriRing在呈现虚拟物体刚度方面的性能，开展一项用户研究，重点关注刚度感知的恰好可觉察差异。参与者需通过OriRing对虚拟物体的刚度进行排序。每次试验呈现三个刚度级别：k - Δk、k和k + Δk，这些值随机排序。要求受试者将它们从最硬到最软进行排列。测试了五个刚度增量：Δk = 0.25 N·mm⁻¹、0.15 N·mm⁻¹、0.05 N·mm⁻¹、0.025 N·mm⁻¹和0.01 N·mm⁻¹，这些增量以平均刚度k = 0.35 N·mm⁻¹为中心。Δk值越低，区分难度越大，且每次试验的难度随机呈现。刚度区分阈值：当Δk低于±0.05 N·mm⁻¹时，参与者难以区分刚度级别。这一阈值对于设计有效的力反馈系统至关重要。此外，参与者在最后一次试验中的表现略有提升，这表明随着对设备和任务越来越熟悉，他们出现了学习效应。

OriRing能够传达细微的刚度变化，这凸显了其在虚拟环境中进行细腻触觉交互的潜力。未来的迭代版本可进一步提升反馈保真度，实现更精确、更具沉浸感的触觉体验。然而，值得注意的是，这项用户研究的参与者数量有限（n = 10），旨在作为初步可行性评估。未来的研究将需要更大规模、更具人口统计学多样性的受试群体，以对这些发现进行统计验证并确保更广泛的普遍适用性。

图：触觉OriRing作为用户与扩展现实之间的双向触觉接口

小结

作者团队报道了一种轻便紧凑的触觉接口，该接口配备采用减材激光烧蚀技术制造的三轴力传感皮肤。基于激光的制造工艺可对类似金字塔的微结构和四个电阻式延伸电极进行快速、无掩模的图案化处理，从而能够测量法向力和剪切力。该方法还能通过改变线条间的密度和梯度间距，对微结构几何形状进行精细控制，进而实现可调节的线性和非线性灵敏度。利用这种力传感皮肤，开发一种具备闭环动觉反馈和双向多模态触觉交互的多模态触觉环（OriRing）。该设备通过高功率密度软体致动器、紧凑型三轴力传感皮肤、弯曲传感器以及基于折叠的棱柱关节机构来实现上述功能。

力传感皮肤由2×2的传感像素阵列组成，可有效检测两个轴向上的剪切力。然而，为了捕捉更精确、更复杂的触觉交互，需要提高空间分辨率。基于激光的制造方法具有可扩展性，能够在不改变核心传感器架构的情况下实现更高的像素密度。这可能催生出具备其他触觉能力的传感器，如压力分布检测、接触定位、更精细的剪切方向分辨率以及多点接触检测等。然而，更高的分辨率也带来了技术挑战。更高的像素密度需要更复杂的电子设备和信号处理，这可能会增加功耗、引入延迟并降低整体系统带宽。此外，更密集的布线和更小的电极焊盘会导致更高的电气噪声以及相邻像素之间的机械耦合，从而产生信号串扰，降低测量精度，尤其是对于微弱的剪切力而言。这些权衡可能会影响触觉交互捕捉的真实性和响应性。

就动觉反馈而言，OriRing目前是单自由度设备。现实世界的触觉交互往往涉及多个自由度。在不牺牲其紧凑外形的前提下，扩展OriRing支持更高自由度的能力将是一项关键挑战。要实现这一点，需要进一步缩小气动元件的尺寸，并探索替代性的紧凑流体泵送技术。另一个挑战在于将高自由度驱动系统与多自由度触觉传感皮肤集成。这需要算法将来自设备的本体感受反馈与来自传感皮肤的触觉输入有效结合，以产生有意义且可靠的交互解释。集成先进材料和制造技术可进一步提升OriRing的坚固性、耐用性和整体性能。使用具有自修复特性、耐磨性更强或刚度可自适应的材料，可增强设备在现实条件下的使用寿命和功能。OriRing目前采用成本低廉且与工业制造工艺高度兼容的材料，适合未来大规模生产和商业化。这种可扩展性和成本效益很可能在可穿戴技术的实际部署和市场普及中发挥关键作用。

目前，气动控制单元的重量、体积和噪声是限制因素。尽管通过优化可以减小控制单元的尺寸和重量，但这种设置需要外部空气压缩机，因此仍然需要连接线缆，不适合完全移动或可穿戴应用。市面上已有产品证明了无束缚操作的可行性，例如FlowIO，这是一款一体化的气动控制单元，最小重量为114克，可在身体或手臂上实现可穿戴使用。然而，FlowIO及类似系统仍存在运行噪声问题。为解决这一问题，人们正在探索新兴的柔软静音泵送技术，包括燃烧驱动、气体生成化学物质、介电弹性体、压电和电液动力泵。尽管大多数这些技术仍处于研究阶段，但它们有望降低噪声、提高紧凑性并实现完全集成的软体机器人系统。将这些新型驱动器集成到未来的OriRing迭代版本中，有望开发出完全无束缚、轻便且静音的可穿戴触觉系统。

参考文献：

Sunju Kang, Mustafa Mete, Srinivas Gandla, et al. An 18-g haptic feedback ring with a three-axis force-sensing skin. Nat Electronics. 2025 Dec 19.

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01515-x