腾讯Robotics X Lab低电压电刺激触觉方案，单手指25个电极

news2024/11/19 10:34:32

关于体感手套的案例，青亭网曾经报道过许多种，有低成本的DIY阻力模拟手套，也有价格昂贵的启动微流体VR手套方案，或是基于SMA驱动器、SMI压力传感器的手套技术。但是，要模拟人类体感系统多样且敏感的触觉体验（毫米级空间分辨率、亚毫秒级时间精度），还有很长的路要走。此外，目前高端VR手套的体积较大，不便携，且不容易上手。

近期，香港城市大学（CityU）和腾讯Robotics X Lab合作研发了一种基于低电压的点刺激触觉反馈方案，其原理是基于微电流刺激，好处是可以精准控制体感反馈，更好的模拟微小物体的触觉，而且可以和柔性手套集成，外观可以做的更轻便。据科研人员介绍，这是一种具有高空间分辨率、快速响应的可穿戴电触觉渲染设备，可模拟压力、震动和纹理触觉。

应用场景则包括：模拟盲文显示器、为AR/VR购物和游戏添加体感反馈，以及用于信息传输、远程操作、媒体娱乐，而通过在专业手套中集成体感反馈，则可辅助宇航员、外科医生、深海潜水员进行工作。

据青亭网了解，这款体感方案由多个微型电极组成，可在每个指尖设置25个电极，具有高灵敏度和高分辨率。硬件方面，电触觉装置由电极阵列（5x5）和橡胶指套组成，其中电极阵列附在一块轻薄的柔性印刷电路上（FPS），接触电极则有25个半球形金属凸块组成，可大幅提升电机与人皮肤表面的有效接触。

在渲染盲文时，它实际上是通过刺激指腹，来提供类似于触摸26个字母的体感（模拟字母的书写顺序，包括16个基本笔画），从而帮助视障人士学习正常的阅读和书写方式。相比于传统的盲文，这种方案的优势是可渲染出完整的字母，而不只是部分触点。此外，还可以模拟数字的触感。不过，一些字母和数字容易被混淆，比如I和1、S和8、O和0等等。

皮肤感知触觉原理

原理方面，该系统基于current-steering电流舵超分辨率模拟技术，即利用电流来渲染体感和触觉刺激，好处是空间分辨率可达76点/平方米，刷新率达4kHz，模拟微小物体的触觉效果好。

据了解，当皮肤因外力变形时，机械敏感粒子通道会打开，机械感受器的体细胞去极化，从而触发动作电位，并通过周围的神经束传播到体感皮层。与这种体感原理不同的是，城市大学的方案直接在皮肤内的局部区域产生电流，触发附近机械感受器轴突的动作电位，之后这些动作电位也会通过神经束传播到体感皮层，在大脑中被解释为触觉刺激。

而通过改变刺激电流的波形、频率、持续时间或位置，则可以模拟各种感觉，包括震动、触摸、刺痛、瘙痒和压力。

电刺激方案优势

科研人员指出，触觉反馈的模拟技术大致有两种，一种是机械刺激，另外一种则是电刺激。其中，机械刺激可以是局部的机械力，也可以是震动，可引发稳定、连续的触觉，但机械驱动器往往体积庞大，与VR手套集成时，会严重限制空间分辨率。此外，直线电机、气动制动器等机械电机的响应时间也较慢。

相比之下，电触觉刺激的优势是轻巧灵活，而且分辨率更高、响应速度更快。通常，电信号需要达到数百伏特级别才能穿透人的角质层，这种高电压具有安全隐患，而且由于人体皮肤的电特性，电流强度需要根据变量随时调整，才能保证使用者的舒适性。

为了保证电流刺激的安全性，科研人员利用高频调制的方式，将刺激电压降至13V到28V之间。据悉，人能承受的最大电压为36V，而持续接触的安全电压为24V。作为对比，通常医疗电针最大输出电压在40V以上，因此28V电压算是在安全范围内，短暂的高电流刺激可模拟尖锐刺痛的触觉。而13V则可模拟轻微触碰感。

电触觉渲染的另一大挑战是电极尺寸和刺激电压之间的反比关系，更高的空间分辨率需要更小尺寸的电极，但这反过来导致接触阻抗增加，因此需要提高电压，这可能会影响使用的安全性。相比之下，城市大学采用了双高频AC，可平衡电压和空间分辨率（25点）水平，最大应用电压可控制在30V，可消除安全隐患。

该方案主要通过控制触觉强度和震动频率来模拟粗糙度变化，因此需要使用调幅（AM）来调节频率变化，现阶段可模拟五种不同的粗糙类型，比如岩石表面、砂纸（60粒度）、牛仔布、丝绸和玻璃。在实验中，志愿参与者发现低频和高压刺激可以更好的模拟岩石和砂纸等粗糙表面，而高频和抵押刺激则可模拟丝绸和玻璃等光滑表面。在粗糙度模拟方面，这项方案的准确度可达98%。

为了验证这项方案的效果，科研人员在20名志愿者中进行测试，结果发现该方案可模拟20种不同的电流强度，体感模拟的准确性可达85%。

AR/VR场景

值得注意的是，这项方案所使用的电极阵列可扩展，比如覆盖在AR/VR手套的手掌和手指部位，好处是可模拟各种粗糙度的表面，比如猫的毛皮、有倒钩的猫舌头等等。根据使用者在AR/VR中抚摸虚拟猫的方向和速度变化，粗糙度也会同步变化。