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我科研人员设计出用于多感官替代的触觉皮肤电子器件

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科技日报记者 张蕴 通讯员 于舒雯

快速可编程的触觉激励器在社交媒体、游戏、娱乐及生物医学康复治疗中应用广泛,能有效替代或增强人体感知能力。记者8日从大连理工大学获悉,该校解兆谦教授(共同通讯作者)与美国西北大学John A.Rogers教授课题组、黄永刚教授课题组及西湖大学姜汉卿教授课题组合作,发明了一种基于生物弹性状态恢复的无线、低功耗、多刺激模式触觉皮肤电子器件。相关成果发表在国际学术期刊《自然》上。



用于多感官替代的无线、低功耗、多刺激模式触觉皮肤电子器件。大连理工大学供图

该研究通过力-电-磁控制的双稳态及压扭耦合结构力学设计,可实现对皮肤不同深度触觉机械感受器的动态和静态、法向力和剪切力的多模式激励。该可编程多模式触觉激励的皮肤电子器件在视觉、平衡感和触觉感官替代中存在广阔的应用前景。

解兆谦介绍,人体皮肤中多样的机械触觉感受器能感知并传递丰富的触觉信息。然而现有触觉激励器功耗高、模式单一,仅能激活皮肤中单一类型的机械触觉感受器,且多为有线控制,限制了使用的便捷性和应用的广泛性。为充分挖掘触觉界面的应用潜力,需要皮肤中多类型机械感受器的协同参与,以实现多感官互动,这对可穿戴触觉激励/感官替代器件的开发提出了新的挑战。

针对上述业界广泛关注的挑战性难题,科研团队创新性设计了一种基于生物弹性恢复的无线、可编程、低功耗且具备多刺激模式的触觉皮肤电子器件。该器件凭借其独特的力-电-磁控制双稳态结构,能够在瞬态微电流的作用下,于压缩与放松两种状态间实现快速且精准的切换,实现皮肤不同层面的静态与动态的激励。此外,该器件采用了轻质的柔性延展力学结构设计,使得整体轻薄且易于穿戴,完美实现了与皮肤的无缝保形贴合,提升了用户的舒适度,确保了器件在长时间使用过程中的稳定性和可靠性。

值得一提的是,该器件集成了先进的无线控制电路系统,能够根据前方障碍物、使用者身体姿势及步态等实时信息,智能地调整激励模式。这种智能化的设计使得器件能够为用户提供更为个性化、精准且实时的触觉反馈,从而在视觉、平衡感和触觉感官替代等领域展现出广阔的应用前景。



感官替代人体测试。大连理工大学供图

解兆谦表示,经过人体测试实验证明,通过智能手机的LiDAR技术感知前方障碍物,并与触觉皮肤电子器件协同工作,能够为视力障碍者提供精确且可靠的导航指引。同时,利用智能手机内置的惯性测量单元(IMU)实时监测用户的身体姿势变化,并与触觉皮肤电子器件相结合,可以为用药后等平衡感受损的患者提供平衡感官替代方案。最后,通过IMU精准追踪脚步的方向以及与地面的相对角度,配合触觉皮肤电子器件,可以辅助糖尿病脚部感官缺失的患者调整步态,有效预防跌倒,从而实现对其脚部感官功能的精准替代。

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