今日《自然》:科幻级“触感皮肤”诞生,可远程感知亲友的抚摸

一支来自美国西北大学的研究团队研发了一种无创、轻便的装置,可覆盖于皮肤表面,完美还原人类触觉。

作者 / 药明康德AI 出品 / 公众号“药明康德AI”(ID:SMART-AI)

今日,顶尖学术期刊《自然》上刊登了一篇“科幻级”的论文。论文里科学家们开发了一种特殊的“触感皮肤”,能够让人远隔千里之外,就可感知他人的行为。戴上这款“触感皮肤”,或许科幻电影里的某些场景极有可能变成现实。

图片来源:参考资料[1]

说到人类的感觉,大家平时可能更多感受到的是口渴和肚子饿,却很少有人会主动关注皮肤的触觉。触觉是一种非常复杂的感觉,它是触压感、痛感、温度等几种不同感知系统的综合产物,不仅会受到机械力的影响,还与化学能、热能有关。因此,人类可以轻松模拟3D的视觉,可以制造出身临其境的声效,却很少有人能完美还原人体的触觉。 

然而一支来自美国西北大学(Northwestern University)的研究团队突破了这一瓶颈。John A. Rogers教授的研究团队研发了一种无创、轻便的装置,可覆盖于皮肤表面,完美还原人类触觉。该装置通过机械振动的方式,实现电子可编程通信以及身体的感觉输入,可作为虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备,应用于假肢控制、电子游戏等领域。

图片来源:Pixabay

此前,其实也有类似“触感皮肤”方案产生,不过大多都需要借助紧贴皮肤的多组电极产生振动来刺激皮肤,通常极易给皮肤造成痛感和损伤。所以,找到能产生目标反应的合适电压和电流,又不给皮肤造成疼痛或电刺激损伤,这两点是打造一款完美“触感皮肤”的必备条件。 

本项研究中,“触感皮肤”装置最核心的“中层”部分,用聚酰亚胺(PI)封装的铜迹线、各式电子元件以及芯片,这些组件共同构成整个装置的供电网络和电力控制系统,且均采用无线控制的方式

电子元件中包含许多致动器,每个致动器质量为1.4克。麻雀虽小,五脏俱全,致动器供电控制系统的设计却十分精妙,它能控制装置整体振动频率振动幅度,从而让“皮肤”产生不同的触感。针对本研究,研究人员将振动设定到了人类皮肤最敏感的频率。

▲ a: “触感皮肤”结构示意图;b-d:功能层,铜迹线和电子元件排布详解;e-i:致动器层,致动器的组成和尺寸;j-l: “触感皮肤”形态柔软且具有韧性(图片来源:参考资料[1])

触感的强度可通过振幅进行微调,通常几微米的振幅差距,便会造成的不同的触感强度。经优化设计,该“触感皮肤”佩戴者的指尖和手上产生触感的同时,不会感受到发热效应。另外这项研究先进之处在于,不管是致动器的频率还是振幅,都可以根据穿戴人员的需求,通过控制系统进行个性化设置。可以说这是一款极具个性化的VR装置了。 

那么实际穿上这套科幻级别的“触感皮肤”到底是什么样体验呢?这样的新型装置对于人们的生活有何益处?

▲ “触感皮肤”生活化的应用(图片来源:参考资料[1])

我们可以看到上图,小女孩与祖母视频聊天的场景,祖母手臂上戴着的新型“皮肤”,虽与孙女远隔千里,但她依然可以清晰地感受到孙女灵动活泼的小手在她手上抚过。还可以看到,伤残人士在假肢上贴上“触感皮肤”后,可真真切切地抓取实物,并用指尖感受着世界的温度,从此假肢并不再是冷冰冰的机械元件了。当然,人们还可以在游戏场景里见到“触感皮肤”的妙用,当玩家进行“战斗”类游戏时,一个动作就能触发一种相应的武器或招数,玩家便能更好地体会到沉浸式的乐趣。 

不过,这套科幻级的“触感皮肤”还是存在一定局限性。首先,相对于目前市面上的一些消费型智能穿戴产品来说,电流设定还是偏高;另外,其他组件中一部分能量或许会转化为热能,影响整体性能,且对于装置的散热性能是一个考验;再者,优化后的致动器功率虽小,但该技术整体仍面临功耗大的问题,这有可能制约该装置在可持续性和无线性方面的发展。 

纵然存在一定局限性,研究团队对于取得这样的技术突破表示兴奋。通过本文所列举的在社交媒体、医护、电子游戏领域的生活化应用,我们看到了这类“触感皮肤”的巨大潜能;随着时间推移,技术的精进,它有望应用于更细化的个性化康复、外科训练、教育反馈及多媒体娱乐体验等方面。研究人员表示,触觉在虚拟现实和增强现实的应用才刚刚开始,未来将有无限可能。

来源:Nature 题图来源:Pixabay

参考资料:
[1] Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtual and augmented reality Retrieved Nov 19, 2019 from https://doi.org/10.1038/s41586-019-1687-0
[2] Virtual and augmented reality enhanced by touch Retrieved Nov 20, 2019 from https://nature.com/articles/s41586-019-1687-0

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