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基于摩擦纳米发电机的自驱动虚拟电触觉系统

虚拟现实/增强现实(VR/AR)技术是指利用计算机等技术手段生成逼真的视觉、听觉、触觉、味觉等一体化的虚拟环境,允许参与者通过多种感官与虚拟世界中的物体进行交互,从而产生沉浸在真实环境的体验。然而相比于虚拟的听觉和视觉,虚拟触觉通常需要快速响应、高分辨率、大尺寸的生物相容性装置,因而更难实现。目前虚拟触觉的实现主要有两种方式,一种是通过在皮肤上施加一定的机械力或震动来实现的机械触觉方式,可实现安全且可控的虚拟触觉,然而这种装置通常需要复杂而精巧的结构设计以及较高的功耗。另一种方式是在皮肤表面施加合适的电流来实现虚拟触觉的电触觉方式,具有设备体积小、重量轻、分辨率高等优势。但是,人体皮肤具有较大的电阻,很难选择一个合适的电压提供安全舒适的电触觉同时避免皮肤损伤。 

摩擦纳米发电机(TENG)的出现为降低电触觉刺激的风险提供了新的思路。TENG可以将无规、低频的机械能转化为电能,高输出电压和低电流是TENG的天然优势。其超高的静电场可以避免电极与皮肤的直接接触,通过间隙放电的方式实现虚拟电触觉。据此,中科院北京纳米能源与系统研究所的研究团队与北京大学技术物理系的老师合作开发了一种基于TENG和悬浮式电极阵列的虚拟电触觉装置,实现了自驱动、皮肤集成、安全无痛的虚拟电触觉系统。近期,他们在Science Advances上发表了题为“Self-powered electro-tactile system for virtual tactile experiences”的论文。

文章链接为:https://advances.sciencemag.org/content/7/6/eabe2943  

该虚拟电触觉系统由TENG和集成在皮肤上的球形电极阵列组成,将电极阵列悬浮于皮肤之上以避免与皮肤的直接接触,通过TENG将系统与外界的接触和摩擦等触觉运动转化为高电压信号,TENG高效的转化效率可以驱动电极与皮肤之间的间隙放电,以较低的电流实现了高分辨率、敏感且舒适的虚拟电触觉。这种虚拟电触觉系统集合了触觉传感与静电刺激的双重功效,其中TENG不仅可以识别和传感外界输入的触觉运动,而且可以把触觉产生的能量转化为电刺激信号释放到人体皮肤上。TENG的传感界面可以作为一个分离的书写屏幕(图1),把触觉轨迹通过传输线路直接反馈到分离的体验者的皮肤上,实现虚拟的触觉交流,可行的应用场景有动态的盲文交流,隔离病房内外的触感交互等等。另一方面,TENG的传感界面可以直接集成到防护服或者护甲的表面(图2),通过内嵌的电刺激线路实现增强的触觉感知,可以实时传输防护服外界的触觉刺激。 

1. 皮肤集成的虚拟电触觉装置。(A)虚拟电触觉装装置的工作示意图。(B)悬浮式电极阵列的结构图。(C)间隙放电产生电触觉的机理图。悬浮式电极阵列(D)和TENGE)的实物图。

在该虚拟电触觉系统中,研究者引入了离子轰击技术,通过改变Kapton/PEN材料的分子链结构,增强了材料在接触起电过程中的得电子能力,实现了高的表面电荷密度,减小了TENG的单元面积。尺寸为2×2 cm2TENG,可以驱动0.5 mm的间隙放电,而且电流仅为25 μA。因此,球形放电电极得以悬浮于皮肤之上,通过VHB胶带精确控制球形电极与皮肤之间的间距,实现了单电极间隙放电,相比于双电极模式提高了触觉分辨率,几乎接近于手指和上臂两点阈的极限值(分别为2 mm10 mm)。通过机理分析,TENG产生的静电荷可使电荷聚集于在球形电极上,形成的局域静电场击穿空气形成放电,给予皮肤触觉感受器一定的刺激从而产生触觉。而且,作者通过进一步实验和模拟分析,提出了一种全新的放电理论,即将人体皮肤视为与地面隔绝的导体,由于皮肤的静电屏蔽效应,球形电极上积聚的静电荷产生的静电势在间隙周围收敛,因而在电极与皮肤之间形成了较大的电势差,驱动间隙放电。这种基于等势体表面电场聚集的放电原理可以省去电路的接地端,即使人体不与接地端相连,也可以实现皮肤表面的电刺激信号。 

作者通过一系列实验证明了该虚拟电触觉系统的各单元可独立工作,不受相邻电极的干扰,集成与皮肤之上能够免受出汗等原因造成的皮肤湿度变化的影响,并进一步提出了球-球电极模式以避免皮肤形变对放电间隙的干扰,实现了放电间隙的精确控制。通过电极阵列的间隙放电,TENG的图案化运动轨迹(数字和字母)可以在人体皮肤上以电触觉的方式重现,经过测试,受试者可以准确地给出相应的图案化反馈。 

2. 可穿戴的自驱动虚拟电触觉系统。虚拟电触觉系统的单元结构图(A)、实物图(B)及配戴于手臂的演示图(C)。电触觉系统的放电电流(D)及转移电荷量(E)。(F)自驱动虚拟电触觉系统应用于病毒防护服(I)和宇航服(II)的演示图。

最终,作者展示了该虚拟触觉系统在自驱动盲文识别、增强假肢触觉等方面的应用,设计的高度集成的虚拟触觉系统可穿戴于手臂上,通过虚拟触觉增强,可应用于病毒防护服、宇航服等人体皮肤与外界环境隔离的情况下,将外界的碰撞转换为虚拟电触觉以提供对防护装备乃至人体的基本保护,拓宽了TENG在虚拟/增强电触觉技术(如触觉修复、智能防护等)领域的应用。 

 

来源:中国科学院北京纳米能源与系统研究所

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