触觉皮肤电子器件。大连理工大学供图

■本报记者 孙丹宁

2019年，一项关于“触觉延伸”的研究成果在《自然》一经发表，便引起了广泛探讨。研究中实现了一个“神奇”的现象——将触觉作为连接虚拟与现实世界的“桥梁”，将虚拟体验精准传递到现实生活中。柔性电子先驱之一、日本东京大学教授Takao Someya认为，该成果“有望扩大到全身系统的规模”。

2020年，这篇论文的第一作者解兆谦从香港城市大学回到了母校大连理工大学，继续深耕这一前沿领域。

2024年，解兆谦及合作团队发明了一种基于生物弹性状态恢复的触觉皮肤电子器件，能针对皮肤不同深度的触觉，实现动态与静态、法向力与剪切力的多模式精准激励“感受”。近日，相关研究成果再登《自然》。

与之前的研究成果相比，他们最新开发的触觉皮肤电子器件具有更多样的激励模式和更低的功耗，在视觉、平衡感和触觉感官替代方面具有广阔的应用前景。

让触觉“穿越”屏幕

2016年，虚拟现实（VR）产业迎来了发展“元年”，VR凭借新奇的概念、广泛的应用场景及前所未有的沉浸式体验，迅速赢得了公众的青睐。它不仅能为用户提供全新的娱乐方式，而且在教育、医疗辅助、工业设计等领域大放异彩，展现出广阔前景。

然而，近年来，VR的发展却停留在戴上眼镜通过视觉“穿越”这一单一维度，未能充分融合触觉、听觉等多感官体验。这限制了其进一步应用。

2019年，解兆谦携手香港城市大学教授于欣格以及美国西北大学教授John A. Rogers、黄永刚团队，共同研发出一款革命性的无线表皮触觉VR系统。该系统能无线接收指令，并通过振动模拟真实触感。使用者仅需将一个轻薄又柔软的器件贴于皮肤上，就能在虚拟世界中感知触觉，甚至体验到千里之外亲人的“抚摸”。

表皮触觉VR系统的核心是执行器——仅重1.4克，大小如指甲。电流通过线圈驱动磁体振动，对皮肤施加毫米级的压力反馈进而创造触感。

该系统在日常生活中有巨大的应用潜力。实验显示，一位下臂截肢者在上臂贴上执行器并使用带机械手的假肢抓取物体时，能真切感受到抓取动作。

“以往，截肢者使用机械手虽能实现抓取动作，却无法感知力度变化，因此，抓取鸡蛋等易碎物品时，难免使其损坏。而我们设计的表皮触觉VR系统能够通过机械手上的传感器检测抓取力度并及时反馈给佩戴者，使他们精确感知力度，从而更加细腻地体验与世界的互动。”解兆谦说。

研究团队还邀请了一位女孩与其祖母视频通话，当女孩轻触屏幕时，祖母能通过手臂上的设备感受孙女的抚摸，实现了让触觉“穿越”屏幕。“如同《头号玩家》场景中韦德能在真实世界中感受萨曼莎在虚拟世界的触摸，人们也能通过我们的表皮触觉VR系统，在生活中体验到那份触感。”解兆谦说。

多激励模式的新探索

2020年，解兆谦加入大连理工大学时，该校正在积极推进医工融合和交叉学科建设。这吸引了解兆谦，当时的他正在力学与生命健康前沿交叉领域拓展柔性电子力学新方向。

在此前研究的基础上，解兆谦团队在生命健康方向上有了更长远的思考：视觉受限的患者能否依赖触觉实现导航？平衡感或脚步感觉缺失的患者能否借助触觉重新找回稳定的步伐？

他们将人体皮肤作为弹性储能元件，结合软磁铁、永磁铁及线圈，形成具有压缩和放松两种状态的双稳态结构。在压缩状态下，皮肤被压入一定深度，无须外界能量输入就能给皮肤一定深度的静态激励。而在线圈中通入微电流，可实现压缩和放松两种状态的随意切换，实现对皮肤不同层面的触觉激励。此外，在双稳态结构的不同状态下，在线圈中通入交变微电流，可以为皮肤提供不同深度的动态振动激励。这种双稳态结构设计不仅显著降低了系统功耗，而且轻易就实现了对皮肤不同层面的动态及静态激励。

同时，该器件利用压扭耦合力学结构，巧妙实现了对皮肤剪切力与法向力的耦合作用，极大丰富了触觉激励的多样性和精准度，为用户带来了更加真实、细腻的触感体验。

通过封装触觉激励器单元和内部电路，团队打造了具有多激励模式的触觉皮肤电子器件。该器件采用轻质的柔性延展力学结构设计，整体轻薄且易于穿戴，可以像创口贴一样贴附在皮肤上，实现了与皮肤的无缝保形贴合，确保了在长时间使用过程中的稳定性和可靠性。

《自然》审稿人评价：“这项工作对下一代触觉界面具有重要意义。它能够以高效的方式在皮肤上提供稳定的压入和剪切力，并通过简单的可穿戴贴片实现真正的‘按压’感知。”

“经过人体测试实验，我们证明了通过智能手机的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，我们可以利用智能手机内置的惯性测量单元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，为用药后平衡感受损的患者提供平衡感官替代方案。”解兆谦说。此外，通过测量单元精准追踪脚步的方向及其与地面的相对角度，并配合触觉皮肤电子器件，该研究还可以辅助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。

发顶刊后的下一步

除应用于医学领域外，该触觉皮肤电子器件在人机互动方面也将大有作为。人类远程操纵机械手进行抓取，机械手上的传感器将触摸物体时的压力反馈给控制系统，控制系统再将信号反馈至触觉皮肤电子器件，对人体皮肤实现多模式的触觉激励，使人能够更真切感受到机械手的压力变化。

“目前，我们的贴片大约是10cm×10cm大小，这使得使用者的感受更加真实。并且，我们的触觉皮肤电子器件由多个独立的触觉激励单元组成，未来想要继续扩大面积只需要增加触觉激励单元，就像搭积木一样，可以满足各种尺寸需求。”解兆谦告诉《中国科学报》。

在5年时间里，解兆谦带领团队发了两篇《自然》论文及两篇《科学》论文。在他看来，发顶刊最重要的是有新的概念和想法，选题要对人类和社会进步有关键性的推动作用。

“目前，更需深思的是论文发表后的下一步。我的真正愿景是将这些科研成果转化为市场应用，将理论思路变为新质生产力，这才是我们投身科研的终极追求。”解兆谦说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-9