圖中的人，蒙著眼睛，只需要用手指觸摸，就可以辨別出紙上的字母。實現(xiàn)這個能力，用的是一個重量僅為1.3克的設(shè)備。而負(fù)責(zé)給指尖傳導(dǎo)信號的硅膠薄膜，只有18微米厚。這個厚度，薄于一張普通A4紙厚度（104微米）的1/5，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體表皮的厚度（數(shù)十到上千微米）。

這是中國科學(xué)家冀曉斌領(lǐng)銜開發(fā)出的新型設(shè)備，只用1.3克的重量，能夠產(chǎn)生1Hz～500Hz的震動信號，給手指傳遞不同的觸感。實現(xiàn)“盲人摸字”的原理很簡單，用發(fā)光二極管作為傳感器，感知紙面反光的強度，將信號傳遞給一個微型控制器。當(dāng)觸碰到黑色的區(qū)域，設(shè)備就會自動開啟，將異樣的觸覺傳遞給指尖。人通過觸覺反饋，就能識別出圖案。

這個設(shè)備的名字叫做feel-through DEA（下稱FT-DEA），“盲人摸字”的試驗，只是對其功能的一個驗證。更重要的是，這種輕巧的觸覺傳感器，提供了一種新型的人機交互界面，具有高靈敏度和寬信號頻域，如果跟不同的VR或AR設(shè)備結(jié)合，就可以開發(fā)出更逼真的虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實體驗。

冀曉斌介紹，“feel-through”表明了這款新型穿戴裝置的優(yōu)勢。由于其輕薄的特性，18微米的薄膜既能夠傳遞給手指額外的觸覺信號，同時又保持了人手指日常的感覺和活動功能?！按魃线@個裝置，繼續(xù)敲鍵盤，喝咖啡，或者是觸摸其它物品，都不會受影響。”

冀曉斌于2013年和2015年先后在法國獲得學(xué)士與碩士學(xué)位，2019年在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）獲得微系統(tǒng)與微電子博士學(xué)位，回國后，成為河北工業(yè)大學(xué)校聘教授，屬于該校李鐵軍教授團(tuán)隊成員，研究方向是小型智能軟體機器人系統(tǒng)與可穿戴設(shè)備。

他表示，自己原本在EPFL做博士后，12月回國，正好趕上疫情，就辭去了在瑞士的工作，決定在國內(nèi)高校任職。在幾個選項中，他被河北工業(yè)大學(xué)所提供的資源和平臺所打動，最終選擇了這里，目前他正在籌備自己的實驗室。

a.指尖上的Feel-through DEA觸覺設(shè)備;b.佩戴FT-DEA彈鋼琴

一提到VR和AR設(shè)備，標(biāo)志性的設(shè)備就是頭戴眼鏡，它能夠呈現(xiàn)出栩栩如生的畫面和聲音。但這只是虛擬體驗的一部分，更困難的是提供虛擬觸覺。

Valve Index Vr設(shè)備

目前，實現(xiàn)與虛擬對象的互動，需要使用手持的電機設(shè)備，它們不僅笨重，也只能傳導(dǎo)非常粗糙的觸感，使用的時候，需要以特定的姿勢持握，對人的動作限制也很大。也就是說，現(xiàn)有的手持設(shè)備，會阻止人手原有的力學(xué)感受功能，穿戴上以后，手指日常的功能就會受到影響。

要實現(xiàn)科幻電影里身臨其境的VR和AR，必須要有更輕便的觸覺傳感裝置。冀曉斌和同事們的工作，就是在這一思路下誕生的。

能夠做出如此輕便的設(shè)備，關(guān)鍵的技術(shù)在于以極低的電壓輸出高功率密度，從而將人類能夠識別的信號送達(dá)到指尖。雖然硅膠薄膜只有18微米厚，但是在輸出信號為580Hz時，功率密度能夠大于10W/m。

低驅(qū)動電壓，使得FT-DEA的控制與供能設(shè)備可以做得足夠小，來實現(xiàn)無線工作，這滿足了穿戴設(shè)備的需求。

低電壓的技術(shù)，是冀曉斌在博士課題中實現(xiàn)的突破。他在EPFL做博士期間，師從軟體傳感器實驗室（EPFL-LMTS）主任Herbert Shea教授，完成了“低電壓高速率介電型彈性體驅(qū)動器”的課題。高驅(qū)動電壓是20多年來困擾DEA領(lǐng)域的一個基本問題。

所謂DEA，是介電型彈性體驅(qū)動器的簡稱。冀曉斌介紹，這是一種電驅(qū)動的人工肌肉，可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能。

冀曉斌的博士課題成功地將DEA驅(qū)動電壓降低了一個數(shù)量級，并且研發(fā)出了前所未有的高性能、低電壓DEA。

冀曉斌也針對開發(fā)的低電壓、高性能DEA設(shè)計了新型應(yīng)用，之前設(shè)計的軟體機器昆蟲，發(fā)表于機器人頂尖期刊Science Robotics;此次的FT-DEA則是可穿戴的觸覺反饋裝置，于2020年10月發(fā)表于材料學(xué)期刊Advanced Functional Materials上。兩篇論文，冀曉斌都是一作。

DEA所使用的硅膠薄膜本身不導(dǎo)電，它雙面涂上電極后相當(dāng)于一個電容器，當(dāng)充滿電之后，兩電極間產(chǎn)生的靜電力在厚度方向壓縮硅膠薄膜，從而讓薄膜面積增大產(chǎn)生形變。這一過程把電能轉(zhuǎn)化成了機械能。使用不同頻率的控制電信號，可以控制驅(qū)動器的運行速率。

冀曉斌形容，“通俗地講，DEA就是一個軟體平行板電容器?！笔褂镁鄱坠柩跬椋≒DMS）這一材料當(dāng)作介電層的性能優(yōu)勢是相關(guān)DEA的反應(yīng)速率快，能夠達(dá)到毫秒級別。由于PDMS這種材料的粘彈性很小，相比于其它的介電材料（比如VHB）其力學(xué)性質(zhì)對DEA運行速度的影響要小的多。

手指尖端有豐富的感受神經(jīng)，而以彈性硅膠為材料的DEA能夠適應(yīng)手指的形狀并且貼合皮膚。FT-DEA在通電工作時完全靜音，因此非常適合作為穿戴于指尖的觸覺反饋器。

FT-EDA戴在手指上，在不通電的時候，硅膠薄膜處于預(yù)拉伸的狀態(tài)，會給指尖皮膚一個輕微的壓力。當(dāng)通電之后，靜電力產(chǎn)生作用，DEA激活，就會釋放預(yù)先施加的壓力，從而使皮膚產(chǎn)生正方向（縱向）的位移。當(dāng)使用從1到500Hz不同的驅(qū)動頻率，薄膜會產(chǎn)生對應(yīng)不同的位移和拉伸，從而產(chǎn)生不同的觸覺反饋信號。

那人類是否能夠準(zhǔn)確識別出不同的信號類型呢？

d.DEA通過拉伸皮膚來給穿戴者產(chǎn)生觸覺反饋信號e.電壓開關(guān)狀態(tài)下皮膚以及FT-DEA側(cè)視圖

a.使用者對于不同頻率信號的反饋強度平均值統(tǒng)計

b.使用者對6種不同信號的識別混淆矩陣，對角線顯示為正確率

研究尋找了11個不同性別、年齡的使用者，通過兩個測試來收集他們的反饋。第一個測試，研究人員用不同頻率的信號進(jìn)行測試，讓使用者評判是否能夠感知到信號，并按照感覺強度從0（沒感覺）到4（感覺很強）給出打分。最終的結(jié)果顯示，除了關(guān)機時的感覺為零，_幾乎_其它的頻率都可以被感知到，而在5Hz～200Hz的區(qū)間，感知程度都保持在2以上。

在第二個測試中，使用者被隨機給予6種不同的信號類型：10Hz、200Hz、在10Hz與200Hz間切換、由關(guān)閉升為200Hz、由200Hz降為關(guān)閉、關(guān)閉。通過10分鐘的簡單學(xué)習(xí)后，使用者被隨機給予不同的信號刺激，并進(jìn)行辨別，結(jié)果顯示了73%到97%的辨別正確率。

這兩個試驗證明，僅僅通過目前指尖單點的裝置，已經(jīng)能夠成功傳導(dǎo)多種觸覺信號。

冀曉斌表示，這僅僅是一個初步驗證，證明FT-DEA準(zhǔn)確表達(dá)觸覺信號的可行性，研究中已經(jīng)展示了10個DEA在手指上形成的一個陣列結(jié)構(gòu)，未來將突破單點的信號模式，使用DEA陣列來模擬局部的手部感覺，或者反饋更為完整的運動路徑。

請問FT-DEA的結(jié)構(gòu)是怎樣的？

冀曉斌：這是一個多層的結(jié)構(gòu)，兩層電極中間夾一個介電彈性體硅膠層，是一個基本的單元。一共有3個單元堆疊起來，總計共有7層，其中有4層電極，3層硅膠層。這樣設(shè)計的目的是增大它的輸出力，單硅膠層厚度是6微米。在這項工作中，我們堆疊了三層，手指尖端的感受很靈敏，如果將來應(yīng)用于身體其它部位，比如背部，有對輸出力的強度有更高的要求，可以通過堆疊更多的厚度來增加輸出力，從而使其它部位也能夠感受到反饋信號。

FT-DEA的特色是能夠在低電壓的驅(qū)動下，以非常薄的材料實現(xiàn)其性能，這建立在你博士課題的技術(shù)突破上，實現(xiàn)低電壓驅(qū)動的難點在哪里？

冀曉斌：降低DEA驅(qū)動電壓大致有兩種方法，第一，增加介電層的介電常數(shù)。第二，降低介電層的薄膜厚度。我們選取的是第二種途徑。

當(dāng)薄膜厚度降低后，對薄膜的質(zhì)量要求很高。如果薄膜質(zhì)量不高，比如厚度不均勻，相關(guān)DEA性能會受限制。

10個DEA組成的陣列，覆蓋在手指上

更加具有挑戰(zhàn)性的是，降低介電層厚度后，對DEA的電極要求苛刻。既需要有很好的導(dǎo)電性能來保證DEA快速充放電，又必須具備很好的力學(xué)性能來降低對整個薄膜結(jié)構(gòu)的僵化。我們開發(fā)了基于Langmuir原理的先進(jìn)納米制造工藝來二維組裝DEA的可拉升電極。研發(fā)出了分子厚度的可拉伸電極來滿足這些苛刻要求。

在蒙眼識字的試驗中，增加了一個發(fā)光二極管，它的作用是什么？

冀曉斌：這個實驗中我們做了一個集成的無線控制系統(tǒng)，整體裝置只有1.3克，這也是可穿戴設(shè)備的要求，不能很重，不會影響正常生活。發(fā)光二極管的作用是識別顏色，它能夠探測顏色，將收集到的信號傳導(dǎo)給微控制器，從而決定FT-DEA是否開啟。當(dāng)探測到黑色的時候，微控制器就會反饋出450伏200赫茲的頻控制信號，而在白色的時候是關(guān)閉的。使用者通過手指的感受就可以讀取黑色的字母。

目前只進(jìn)行了一個識字試驗，F(xiàn)T-DEA還有哪些應(yīng)用的潛力？

冀曉斌：VR里，可以應(yīng)用它去觸碰一些虛擬的物體。研究中展示了一個戴在手指上的矩陣，假設(shè)它可以覆蓋整只手，就可以實現(xiàn)感知一些虛擬的圖像，或者當(dāng)手做出一個類似抓握這樣的動作時，也可以給予相對應(yīng)的反饋信號。

當(dāng)然我們目前只是模擬了表皮上的觸覺，如果未來的VR要實現(xiàn)讓人感受到一個不存在的事物，比如拿住一支筆，需要完整的信息，包括關(guān)節(jié)的姿態(tài)，還有皮膚的觸覺，一個理想的手套是能夠完成所有的任務(wù)的。這也是將來要突破的工作。

另外在一些需要精細(xì)操作的地方，比如一些外科手術(shù)、精細(xì)組裝等，人體本身的精度是有限的，在精細(xì)操作的時候容易產(chǎn)生誤差，而電子設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精準(zhǔn)度。

比如一些外科微創(chuàng)手術(shù)，能夠通過它來告知操作者精度的范圍，幫助人手實現(xiàn)更好的操作。這能夠?qū)崿F(xiàn)人和機器之間更密切的交互，機器通過觸覺反饋給人類信號，比如將一層這樣活性的薄膜戴在手上時，就增強了人機交互的維度，同時具有便利性。（摘自美《深科技》） （編輯/諾伊克）