香港城市大学研究生，香港城市大学研究生申请
如今，我们不仅可以通过手机或相机捕捉图像和声音，还可以将它们以数字形式保存，然后通过屏幕和扬声器高保真显示。然而，触觉作为人类重要的感知，几乎承担了我们日常生活中的所有交互运动，从温暖的握手或热情的拥抱到祝贺的拍背，这样重要的一种重要的感觉却难以重现。我们迫切的需要一个可以记录、尤其是重现触感的一套系统。
现有的触觉渲染系统主要可以分为两种，机械刺激或电刺激。通过在皮肤上施加局部机械力或振动，机械致动器可以引发稳定和连续的触觉感觉。然而，这些机械致动器往往体积庞大，在集成到便携式或可穿戴设备时严重限制了空间分辨率。由于驱动模式的原因，线性电机和气动执行器等机械执行器通常响应时间很慢。相比之下，电触觉刺激器可以轻巧灵活，同时提供更高的分辨率和更快的响应。然而，电信号需要数百伏的电压才能穿透高阻抗的角质层，这带来了安全问题。此外，鉴于人体皮肤的电特性随时间和个体间的高度可变性，需要连续校准程序以确保所呈现的感觉保持在用户的舒适范围内。
为了解决这些问题，香港城市大学杨征保教授团队联合腾讯Robotics X实验室提出了一种新的触觉渲染系统，可以高保真度地实现各种触觉，例如压力、振动和纹理粗糙度。这款可穿戴的电触觉渲染系统，可以渲染高空间分辨率（76 点/cm2）和快速刷新率（4 kHz）的触觉刺激。此外为了用户安全，提出了一种高频调制方法，将刺激电压降低至 13 V。该触觉渲染系统的实用性在盲文显示、虚拟现实购物和数字虚拟体验等应用中得到了突出显示。最后，该团队将触觉渲染设备与触觉传感器集成在一起，使得消防员可以在穿戴厚重手套的同时，还可以基于触觉感知，对精密的微小器件进行定位。这些应用展示都表明了电触觉系统的广泛适用性，并将广泛惠及许多领域，尤其是信息传输、娱乐、教育、培训和远程操作。
相关成果以“Super-resolution wearable electrotactile rendering system”为题，发表于Science Advances。林伟康，张东胜，李望维为共同第一作者，杨征保和魏磊为共同通讯作者，腾讯Robotics X 实验室为第一单位。
研究亮点：
1.使用微电流刺激触觉小体及神经，实现超高分辨率（76dots/cm2）和超快速刷新（4 kHz）触觉渲染。
2.提出一种高频调制的方法，将工作电压从传统的几百幅降低至30V以下.
3.利用人类对于触觉连续性的错觉，提出了一种新型的基于笔画的盲文渲染策略，使得盲人可以在阅读和书写时使用同样的一套文字系统。
4.提出一个传感器-执行器系统，演示了使用者在带着厚重防护手套的情况下，依然可以拥有精细的触觉。
论文速递
图 1 电触觉渲染系统的设计与架构。(A) 人体皮肤的触觉感知示意图：由外力引起的皮肤应变触发将外力转换为电化学和电信号的机械敏感通道。(B) 电触觉系统示意图，皮肤中的微电流刺激机械感受器和神经，产生触觉信号。(C) 电触觉装置的实物图，这是一个带有 25 个半球电极的 FPC，连接在橡胶手指套上。(D) 人类触觉感知与电触觉渲染设备在空间分辨率、刷新率和强度范围方面的比较。(E) 盲文显示、VR 和增强现实以及远程操作中的电触觉系统演示。
图 2 高频交流电刺激的模拟和实验结果。(A) 人体皮肤电阻抗模型和等效电路示意图。(B) 不同频率下电流密度分布的仿真结果。(C) 触觉感知强度与刺激电压的关系；随着电压的增加，强度从轻微的触摸逐渐增加到尖锐的刺痛。误差线表示每个志愿者在多次测量中的测试结果的波动。(D) 电触觉系统呈现不同触觉强度的能力。可以通过调整每个改变电压的步长来改变可渲染强度级别的数量。用户可以以 85% 的准确度感受 20 种不同的强度级别。(E) 本工作中施加的电压和电极面积与其他电触觉设备的比较。(F) 粗糙感的示意图，主要由强度和振动频率决定。(G) 粗糙度感知与刺激电压和频率之间的关系。(H) 五种不同粗糙度表面的分类混淆矩阵。
图 3 电触觉渲染系统的结构。(A) 整体控制系统示意图，由三部分组成，函数发生器产生所需的刺激电流AC1和AC2，电流监视器通过反馈控制保证输出感知的一致性，开关阵列分别管理每个电极的状态。(B) 刺激电流的波形。10 kHz 的方波由 40Hz 正弦波进行幅度调制。(C) 反馈控制策略下稳定的电触觉感知。
图 4超分辨率控制策略。(A) 5 × 5 电触觉装置渲染分辨率示意图（左）和不同刺激电极分布下电流密度模拟结果的俯视图（右）。25个方格代表电极的实际分布，其中红色、蓝色和空白分别代表电极在AC1、AC2和悬空时的状态。(B) 不同刺激电极分布下电流密度模拟结果剖面图。(C) 超分辨率策略下触觉渲染分辨率显著提高。(D) 不同渲染策略模式的示意图和这些模式的识别混淆矩阵，其中圆点表示正常分辨率站点，三角点表示超分辨率站点。
图 5. 字母和数字显示的字体盲文策略。(A) 字母“A”和数字“5”的笔画顺序及其基于字体盲文策略的触觉渲染控制策略。(B) 字体盲文策略中的十六种基本笔顺。(C) 英文字母和数字的混淆矩阵。其中一些仍然会混淆，例如“I”和“1”，“S”和“8”，“O”和“0”，“2”和“Z”。(D) 通过电触觉设备传输文本信息的示意图 (左) 和演示 (右)。
图 6 电触觉渲染系统的应用。（A 和 B）虚拟和增强现实中的电触觉示例。(A) 在 VR 购物中感受衣服的触感和质感。(B) 与虚拟猫进行触摸交流，感受手指发痒的感觉以及通过手掌电触装置享受抚摸猫的触感。(C) 执行关键任务的宇航员的触觉恢复示意图。传感器阵列安装在手套外部以感应物体，而电触觉设备则安装在手套内部以呈现触觉信息。(D) 通过电触感渲染系统演示佩戴厚防护手套时对微小零件的快速和精确定位。
来源：高分子科学前沿
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