26、触觉反馈技术的创新进展：透明、伪触觉与柔性显示的融合

最新推荐文章于 2025-11-02 06:04:45 发布

深海孤鲸134

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分类专栏：触觉科技的现在与未来文章标签：触觉反馈透明触觉界面伪触觉反馈

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触觉反馈技术的创新进展：透明、伪触觉与柔性显示的融合

在当今科技飞速发展的时代，触觉反馈技术作为人机交互领域的重要组成部分，正不断取得新的突破。本文将为您详细介绍三种具有创新性的触觉反馈技术，包括透明触觉反馈界面、基于抓握运动的伪触觉反馈以及柔性视觉 - 触觉显示技术。

透明触觉反馈界面

近年来，为了提升触摸屏上触觉反馈的质量，透明触觉执行器被视为关键技术。同时，超越触摸面板的透明压力传感器对于实现更真实、更精确的触觉响应也至关重要。

系统概述 ：该透明触觉反馈界面由透明触觉执行器和透明压力传感器组成。执行器通过涂有透明导电材料的两层之间的静电力驱动，压力传感器则通过测量受压力影响的光散射图案后的透射红外光来工作。由于压力传感器采用聚合物材料，厚度仅为 60μm，非常灵活，可以覆盖在执行器上形成集成界面。
系统描述
- 透明触觉显示器 ：执行器由两片带有间隔物的钠钙玻璃组成，玻璃表面涂有透明导电材料 ITO，通过在两块玻璃板之间诱导电子电荷产生静电力。为了实现超过 50μm 的法向位移，设计了一个最大输出为 1500V 的高压放大器。单块玻璃的透明度为 0.9，执行器的总尺寸为 50x40x0.86mm。
- 透明压力传感器 ：硬件系统由透明的 3x3 压力传感器模块、光学控制与检测板和显示笔记本电脑三部分组成。光学控制与检测板控制红外光源的强度，并使用探测器测量传感器的辐射强度。输出功率范围为 -15~0dB，力测量范围为 0~20N。
- 集成透明触觉显示器 ：压力传感器是一层薄塑料薄膜，附着在触觉执行器上，集成触觉界面的透明度为 0.77。整个系统功耗较低，使用锂聚合物电池作为电源。为了进行演示，在透明触觉界面上模拟了各种按钮，9 个压力单元将与不同的触觉响应相关联。该系统可以检测多点触摸输入，但由于压力传感是局部的，而触觉反馈不是，因此不同的触觉响应不会同时产生。

组件	透明度	尺寸
触觉执行器	0.81	50x40x0.86mm
压力传感器	0.95	厚度 60μm
集成触觉界面	0.77	-

graph LR
    A[透明触觉执行器] --> B[透明压力传感器]
    B --> C[集成透明触觉显示器]
    D[高压放大器] --> A
    E[光学控制与检测板] --> B
    F[锂聚合物电池] --> C

基于抓握运动的伪触觉反馈

在大多数伪触觉反馈研究中，受试者的手放在桌子上，视觉图像由前方的显示器提供，这种设置容易导致视觉和触觉感知之间的感官冲突。本研究提出了一种新的方法，通过使用配备压力传感器的手持显示器来产生手部的伪触觉反馈。

研究背景 ：随着智能手机等设备的发展，显示器变得更小、更轻，可以手持，并且配备多个传感器也变得更加容易。挤压物体是判断其硬度 - 柔软度的一种方式，人类通过比较挤压时物体的变形和阻力来感知柔软度。如果给予一个虚拟物体的视觉反馈，使其根据挤压压力人为地改变形状，那么应该可以产生“柔软度”的触觉错觉。
相关工作
- Lecuyer 等人通过实验研究了伪触觉反馈下的硬度/柔软度，受试者需要推动安装在实验输入设备上的活塞，活塞连接到一个固定在设备上的球状物，显示器上的虚拟球根据施加的力改变形状。
- Hirano 等人使用混合现实技术研究了相同的现象，受试者在看到手部移动的同时获得视觉反馈，通过改变施加力和变形量之间的比例，使受试者感受到硬度的变化。
原型设备 ：原型设备由一部传统智能手机（三星 Nexus S）和薄膜型力传感器组成。两个力传感器（Interlink Electronics Inc. FSR - 400）安装在屏幕两侧，用于测量受试者手持屏幕时的力。测量数据传输到微控制器（Arduino RT - ADK）并用于生成视觉图像。屏幕上显示一个蓝色矩形，其宽度根据挤压时测量的力而变化。
实验
- 实验过程 ：准备了三个压力电阻率系数值，C0（C = 0）、Csmall（C = 1/50）和 Clarge（C = 1/5）。每次试验选择两个系数设置，受试者先挤压设备 10 秒，然后改变系数再次挤压，之后比较两种设置下的相对柔软度。共测试了六种模式。
- 实验结果 ：在（C0, Clarge）和（Csmall, Clarge）的组合中，所有受试者都认为 Clarge 设置产生的柔软感更强。在（C0, Csmall）的组合中，五名受试者认为 Csmall 设置感觉更柔软，一名受试者没有感觉到差异。这些结果表明，根据手部压力改变形状可以通过伪触觉反馈产生不同的触觉感受，并且与压力顺应性相关的系数变化也会产生柔软度的错觉变化。

系数组合	更柔软的设置
（C0, Clarge）	Clarge（所有受试者）
（C0, Csmall）	Csmall（5 名受试者），无差异（1 名受试者）
（Clarge, C0）	Clarge（所有受试者）
（Clarge, Csmall）	Clarge（所有受试者）
（Csmall, C0）	Csmall（5 名受试者），无差异（1 名受试者）
（Csmall, Clarge）	Clarge（所有受试者）

graph LR
    A[手持显示器] --> B[压力传感器]
    B --> C[微控制器]
    C --> D[视觉图像（蓝色矩形）]
    E[受试者挤压] --> B

柔性视觉 - 触觉显示技术

集成视觉 - 触觉显示器被设想为一种能够同时提供触觉反馈和视觉反馈的设备。本研究报告了“TAXEL（触觉 + 像素）”项目的第二阶段进展。

系统概述 ：该系统由三层组成，分别是柔性透明显示器、柔性执行器和压力传感器。显示器采用基于聚合物的光波导方法设计，非常灵活，可以显示字符。柔性执行器位于显示器和压力传感器之间，由 3x3 阵列的 EAP（电活性聚合物）单元组成，用于模拟按钮点击感。压力传感器位于系统底部，用于检测接触点的位置和压力。此外，还实现了一个高压控制器来连接系统的各个元件。
系统描述
- 柔性显示器 ：由光源、光学多波导部分和柔性聚合物片中的散射图案组成。光源产生的光信号耦合到光学多波导部分，均匀分布到柔性片中，传输到散射体，然后发射到空气中。该显示器使用基于聚合物的光波导技术，每个单元可以显示三个字母，单元之间的距离为 10mm，厚度约为 60μm。
- 柔性执行器和压力传感器 ：EAP 执行器的主要特点是厚度模式操作，采用介电弹性体作为电活性聚合物材料，设计为垂直方向的位移，以模拟按钮点击感。它由 3x3 的 EAP 单元阵列组成，每个单元的宽度和长度为 8mm，在施加 2.5kV 电压时可实现 5% 的位移。压力传感器附着在每个 EAP 单元的底部，采用直径为 7.6mm、厚度为 0.3mm 的小型 FSR（力敏电阻）传感器，以不影响执行器的灵活性。
- 控制器 ：设计了一个控制器来独立控制所有 EAP 单元，以仅在用户按压显示器的位置提供触觉反馈。它包括一个高压放大器，为每个 EAP 单元提供足够的电压，以及六个继电器，用于组合提供局部触觉反馈。此外，还有九个模拟输入端口，用于读取每个 FSR 传感器的值。
- 集成柔性视觉 - 触觉显示器 ：整个视觉 - 触觉显示模块通过连接所有元件而开发。由于系统涉及表面触摸交互，表面覆盖有一层薄聚合物层。当柔性显示器的特定位置被按压时，将提供触觉反馈。由于整个模块具有柔性，可以附着在任何形状的表面上。

组件	特点	尺寸
柔性显示器	基于光波导，可显示字符	单元间距 10mm，厚度约 60μm
柔性执行器	3x3 EAP 单元阵列，厚度模式操作	单元 8mmx8mm
压力传感器	FSR 传感器	直径 7.6mm，厚度 0.3mm

graph LR
    A[柔性显示器] --> B[柔性执行器]
    B --> C[压力传感器]
    D[高压控制器] --> B
    E[触摸事件] --> C
    C --> D
    D --> B
    B --> A

总结

本文介绍的三种触觉反馈技术在不同方面展现了创新。透明触觉反馈界面通过透明执行器和压力传感器的结合，为触摸屏带来了更真实的触觉体验；基于抓握运动的伪触觉反馈利用手持显示器和压力传感器，解决了传统研究中的感官冲突问题，实现了“柔软度”的触觉错觉；柔性视觉 - 触觉显示技术则通过柔性显示器、执行器和压力传感器的集成，为用户提供了可附着在各种表面的触觉和视觉反馈。这些技术的发展将为未来的人机交互带来更多的可能性，例如在虚拟现实、智能设备等领域的应用。随着技术的不断进步，我们有望看到这些触觉反馈技术在更多场景中得到应用，为用户带来更加丰富和真实的交互体验。未来，研究人员可以进一步探索这些技术的优化和拓展，例如提高触觉反馈的精度和真实性，开发更多的应用场景等。