速读：电触觉刺激作为感官替代的形式存在许多问题，如反应不一致、疼痛和脱敏等问题。加州大学Darren J. Lipomi教授团队研究了一种利用导电嵌段共聚物弹性体和心理物理阈值来实现准确触觉的方法。通过优化材料、设备布局和校准技术，他们在10名参与者中成功实现了准确且无痛的触觉感受。这种方法不仅适用于触觉设备，还能激活外周神经系统，模拟各种触觉体验，为电触觉刺激的应用带来了新的可能性。 相关研究以“Conductive block copolymer elastomers and psychophysical thresholding for accurate haptic effects”为题在《Science Robotics》上发表。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adk3925

一、电触觉效应的挑战与局限

电触觉效应通过电信号模拟机械力，但因不一致性和副作用饱受诟病。其问题包括：非选择性导致的感觉差异、高电流和电压引发的疼痛与脱敏，以及大面积刺激带来的肌肉和机械传感器反应。为了解决这一问题，加州大学Darren J. Lipomi教授团队研究了一种利用导电嵌段共聚物弹性体和心理物理阈值来实现准确触觉的方法。通过优化材料、设备布局和校准技术，成功实现了准确且无痛的触觉感受。这种方法不仅适用于触觉设备，还能激活外周神经系统，模拟各种触觉体验，为电触觉刺激的应用带来了新的可能性。

二、 图文解析

用于电触觉应用的本征可拉伸有机柔性电极的研发。

本征可拉伸的电极材料：一种嵌段共聚策略：通过可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）过程，成功地将poly(poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate) (PPEGMEA)的bottlebrush部分与共价结合到模量较大的PEDOT:PSS的PSS链上，合成PEDOT:PSS(1)-b-PPEGMEA(6)，其弹性模量大幅度降低，更适合于与皮肤接触。

电极设计与制备：采用激光烧蚀技术制备了蛇形布局的同心电极，并将其集成到可拉伸材料中，显著增强了其在皮肤界面的弹性和伸展性。研究表明，不同电流密度（0.1至10 mAꞏcm-2）能有效刺激皮肤和真皮交界处的感觉纤维。基于有限元分析模拟，研究人员优化了前臂腹侧同心设计的电极尺寸和电流分布，实现了低电流密度的局部电流刺激效果，这对感知体验至关重要。

保形电极的电化学和机电特性。触觉界面性能表征：

（1）电化学特性：影响电荷在电极/皮肤交界处的传输方式。导电聚合物内部的电双层（EDL）电容决定了可注入的电荷量。Block-6的循环伏安曲线（CV）测试结果显示出电容行为。尽管其电导率低于原始PEDOT，但PPEGMEA链促进了离子传输，从而有更大EDL电容和更大的电荷存储容量。因此，“Block-6”电极有着更大的注入电流36 mA (75 mA cm-2)。

（2）机电特性：影响电极与人体皮肤的兼容性。模量不匹配导致的分层会增加阻抗，增加刺激所需的电压，更容易产生疼痛和其他不良反应。Block-6电极的粘弹性和蛇形设计使其与弹性人体皮肤兼容，能够适应皮肤表面的不均匀性和变形，减少阻抗变化，具有较低的阻抗和更高的弹性。力学模拟表明，Block-6电极在失效前可达到100%的应变，并且与原始PEDOT相比，Block-6更接近人类皮肤的模量。

电触觉感知心理物理学任务的实验设置。电触觉感知的心理物理学阈值：电刺激和机械刺激都能激活神经纤维，触发动作电位，并通过相同的生物途径传递到中枢神经系统，其中机械刺激的类型和强度取决于位移和频率。心理物理实验用于评估电刺激的参数与感知之间的关系，结果表明Block-6材料在低至6μA的电流下实现了84%的检测准确率，显著优于其他材料，并且低于报告的疼痛阈值。

感觉知觉、定位和对比辨别的心理物理学实验。

感知质量评估：参与者在高频率下主要感受到振动，而在低频率下感受到压力；刺激频率提高70%时，感知振动的频率增加一倍，交点频率为6Hz。虽然感觉类型与频率密切相关，但电流主要影响感觉强度，刺激电流加倍使感知强度增加约0.25，在所有试验中，几乎所有感觉都是局部的且舒适，没有显著的不适。

空间敏锐度和对比度辨别：电触觉的空间敏锐度取决于神经末梢的类型和密度，前臂的电刺激空间敏锐度为9-40 mm。使用Block-6电极，参与者在2 cm的最小距离下能以95%的准确率识别刺激位置，且电极间距与识别准确度无显著相关，但电流差异增大会提高准确性。同时，Block-6电极在80 μA电流下表现优于市售电极，并且在较低电流下也能达到更高的准确率。