觸覺指環(huán)

（中國AI網(wǎng) 2025年07月03日）XR技術(shù)的日益普及推動了對可穿戴觸覺反饋技術(shù)的需求。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的可穿戴觸覺技術(shù)只能在有限的觸覺模式下傳遞感覺。針對這個問題，荷蘭代爾夫特理工大學團隊介紹了一個柔性觸覺指環(huán)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的渲染方法來產(chǎn)生多模態(tài)紋理感覺。

設(shè)備集成了氣動和液壓驅(qū)動，以模擬近端指骨的粗糙度、熱和柔軟度，使用戶能夠用指尖自然地探索周圍環(huán)境。渲染方法根據(jù)用戶的探索行為動態(tài)地調(diào)整提示。研究人員通過對15名參與者進行用戶研究來驗證方法，并將指環(huán)產(chǎn)生的六種虛擬紋理與真實紋理相匹配，并對他們的感知感覺進行評級。參與者的紋理匹配準確率達到90%。形容詞評級證實，指環(huán)提供了獨特的，感知豐富的刺激。相關(guān)發(fā)現(xiàn)突出了指環(huán)在沉浸式XR應(yīng)用中的潛力，在不限制物理交互的情況下提供多樣化的觸覺反饋。

我們對周圍環(huán)境的觸覺體驗深刻地塑造了我們對世界的理解。通過觸摸，我們可以精確地解釋物體的物理特性并操縱物體。但在數(shù)字環(huán)境中，豐富的觸覺交互并不存在。在過去的十年中，可穿戴觸覺設(shè)備引起了學術(shù)界和工業(yè)界的特別關(guān)注，目標是通過佩戴在身體的機電元件來模擬自然觸覺線索。

然而，大多數(shù)最先進的可穿戴觸覺設(shè)備采用類似手套的設(shè)計，盡管它們的界面直觀，但往往笨重、沉重和限制。相關(guān)設(shè)計可能會阻礙手部運動，并且由于它們通常覆蓋指尖，所以對手指追蹤和與環(huán)境的自然交互構(gòu)成挑戰(zhàn)。這個問題在混合現(xiàn)實和增強現(xiàn)實應(yīng)用中尤其嚴重。

在另一方面，業(yè)界提出了柔性觸覺裝置，并旨在通過更自然地貼合皮膚來提高可穿戴性。其中，基于氣動的設(shè)備由于其快速響應(yīng)時間、成本效益和高功率重量比而受到歡迎。盡管氣動系統(tǒng)占主導地位，但液壓驅(qū)動提供了一種替代方案，可提高驅(qū)動效率和動態(tài)性能。柔性可穿戴設(shè)備可以設(shè)計成提供廣泛的觸覺，以增強虛擬交互的自然性和信息豐富性。盡管它們具有顯示各種觸覺的潛力，但大多數(shù)可穿戴觸覺設(shè)備（無論軟硬）只能提供基本的感覺，如離散的力、溫度或振動，而不是豐富的紋理體驗。

為了實現(xiàn)具有特定感知維度的紋理渲染，設(shè)計的觸覺設(shè)備應(yīng)該獨立地傳遞振動、壓力和熱信號。在一項研究中，荷蘭代爾夫特理工大學團隊提出了一個柔性觸覺指環(huán)和一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的渲染方法來顯示多模態(tài)紋理。

指環(huán)完全由硅膠制成，可以獨立地向近端指骨提供振動觸覺、壓力和熱信號，同時允許全手運動和無限制探索（見圖1）。設(shè)計結(jié)合了一個用于熱刺激的液壓回路和一個用于壓力和振動觸覺反饋的氣動室，兩者都是根據(jù)用戶的探索行為進行選擇性控制。

團隊通過一項用戶研究驗證了相關(guān)設(shè)計和渲染方法，其中15名被試將指環(huán)生成的六種虛擬紋理與真實紋理相匹配，并對他們的感知感覺進行評級。

研究人員的目標是通過開發(fā)具有以下關(guān)鍵要求的新設(shè)備：

靈活、輕便、緊湊的外形便于使用

用戶的指尖不受阻礙，實現(xiàn)與物理環(huán)境的自然交互

提供多模態(tài)觸覺刺激的能力，如壓力、振動和熱，并且與紋理感知有關(guān)

同時或獨立地傳遞這些觸覺信號的能力

研究人員通過選擇完全由硅膠制成的柔性指環(huán)來解決第一個和第二個要求。環(huán)形設(shè)計確保指尖保持暢通，允許自然的手部運動和不受限制的環(huán)境探索。同樣，通過制造硅膠環(huán)，靈活性，輕便性和緊湊性得以最大化，同時允許輕松生產(chǎn)各種尺寸，能夠適應(yīng)不同的手指尺寸。

第三個需求對使用柔性接口提出了一個挑戰(zhàn)。熱刺激通常是使用熱電裝置產(chǎn)生，但它們的剛性可能會破壞柔性指環(huán)的靈活性。同樣，盡管壓電致動器可以產(chǎn)生復雜的振動模式，但它們的集成會損害環(huán)的柔軟特性。所以，研究人員選擇了結(jié)合液壓和氣動系統(tǒng)的混合設(shè)計來解決相關(guān)挑戰(zhàn)。液壓系統(tǒng)使不同溫度的水通過環(huán)循環(huán)，以提供所需的熱刺激。同時，氣動系統(tǒng)使環(huán)內(nèi)的腔室膨脹，通過快速膨脹和收縮產(chǎn)生振動信號。

同時，通過調(diào)節(jié)腔室的膨脹模式，氣動系統(tǒng)可以提供壓力刺激。這種雙驅(qū)動方法實現(xiàn)了熱反饋和振動反饋，滿足了第四個要求，因為這兩個系統(tǒng)獨立運行，可以同時產(chǎn)生多模態(tài)刺激。在設(shè)計中，氣動腔位于指環(huán)的下方，與手指近端指骨的腹側(cè)接觸（參見圖1b和c）。在與背側(cè)指骨接觸的指環(huán)上側(cè)放置了形成液壓回路部分的薄硅膠管。

團隊沒有像氣動腔那樣設(shè)計嵌入式液壓腔，而是將硅膠管直接插入環(huán)上設(shè)計的腔中，以最大限度地提高導熱性。為了制造這個柔性指環(huán)，他們選擇了EcoFlex 00-30作為主要材料。它的彈性模量在100 - 125 kPa之間，在人體皮膚的范圍內(nèi)，確保了自然的感覺。這種材料的柔軟性、強度和可拉伸性使其成為可穿戴和皮膚附著設(shè)備的理想選擇。

指環(huán)的制造過程涉及多個步驟。首先，3D打印了兩個相同的塑料模具，形成了指環(huán)的兩半。模具由聚乳酸（PLA）制成，設(shè)計用于沿其橫向平面分裂環(huán)，并進一步分為兩部分，以方便脫模。團隊準備了三種模具，以適應(yīng)不同的手指尺寸，內(nèi)徑分別為15、18.5和22毫米。他們確保氣動腔在所有環(huán)尺寸中保持恒定的體積，以顯示類似的膨脹特性。

制造過程的下一步是鑄造模具。這一步從混合EcoFlex硅橡膠（A部分和B部分）開始。徹底攪拌后，在模具涂上脫模劑以方便脫模，然后倒入混合物，接下來在室溫下放置至少四個小時固化。一旦固化，兩半粘合使用相同的硅膠混合物。在這個階段，在兩半之間插入一個直徑4毫米的硅膠管，允許未來充氣室的膨脹。

所有組件的精確對齊對于確保耐用和功能合理的最終產(chǎn)品至關(guān)重要。他們同時通過內(nèi)襯特氟龍膠帶來加固插入?yún)^(qū)域，然后在上面涂上一層固化了17小時的DragonSkin 30。這種有機硅混合物具有較高的楊氏模量，與較薄的特氟龍膠帶層相結(jié)合可提供防止泄漏或在高壓下破裂的結(jié)構(gòu)支撐。在這個過程中，至關(guān)重要的是，只在插入處應(yīng)用新的硅膠混合物，同時確保環(huán)的內(nèi)部部分裸露。這種預(yù)防措施保留了致動器的膨脹特性。

在制造過程的最后一步，使用硅-環(huán)氧有機硅粘合劑將應(yīng)變限制織物層應(yīng)用于環(huán)的上、下和外表面。這個過程確保了當空氣充滿時，只有環(huán)的內(nèi)表面會膨脹，并在密集陣的正面提供局部壓力。另外，一個薄的2毫米硅膠管接到液壓回路，以提供熱線索，嵌入在環(huán)的內(nèi)表面。

相關(guān)論文：Generating Multimodal Textures with a Soft Hydro-Pneumatic Haptic Ring

https://arxiv.org/pdf/2503.17971

總的來說，團隊提出了一種新穎的可穿戴觸覺設(shè)備和一種渲染方法，目標是提供多模態(tài)紋理感覺，同時允許用戶使用裸露的手指與他們的物理環(huán)境進行交互。這是一個能夠獨立提供壓力、熱和振動刺激的柔性、多模態(tài)觸覺指環(huán)。系統(tǒng)已經(jīng)成功地證明了以高達90%的準確率模擬真實紋理的熱、粗糙度和順應(yīng)性的能力，有效地在所有三個感知維度呈現(xiàn)不同的線索。所提出的觸覺環(huán)和渲染方法在未來的應(yīng)用中具有很大的潛力，特別是在混合現(xiàn)實和增強現(xiàn)實中。