清華新聞網(wǎng)10月20日電 優(yōu)良、便捷的人機(jī)交互系統(tǒng)促進(jìn)著人類(lèi)科技水平的更新，也為人類(lèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)了巨大的便利。目前的大多人機(jī)交互主要基于視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋系統(tǒng)，而先進(jìn)的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)同樣是人機(jī)交互領(lǐng)域的重要工具。近年來(lái)，基于電磁、形狀記憶合金、或磁流變液等技術(shù)的機(jī)械觸覺(jué)反饋裝置雖已應(yīng)用于顯示器、機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)等系統(tǒng)中，但是這些設(shè)備往往體積龐大且不靈活，并且在應(yīng)用中存在容易失真的問(wèn)題。新的技術(shù)和工具亟待突破，特別是基于柔性器件的觸覺(jué)反饋和交互系統(tǒng)將會(huì)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。
圖1 駐極體柔性執(zhí)行器的工作原理圖
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院先進(jìn)制造學(xué)部錢(qián)翔、王曉浩團(tuán)隊(duì)和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校林立偉團(tuán)隊(duì)合作，利用氣流輔助電暈充電裝置對(duì)駐極體薄膜材料充電，構(gòu)建了聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）、全氟乙烯丙烯共聚物（Fluorinated ethylene propylene, FEP）及導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS組成的三明治結(jié)構(gòu)的柔性執(zhí)行器系統(tǒng)（圖1）。器件在具備柔性的同時(shí)透明性能也較好，可以覆蓋在任何有觸覺(jué)反饋需求的人機(jī)交互系統(tǒng)表面。通過(guò)理論模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，這種柔性驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓可在低至20V時(shí)保留刺激皮膚的感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)基本的觸覺(jué)反饋功能。在200V的驅(qū)動(dòng)電壓下，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生約55mN的輸出力，大于一般市售手機(jī)在振動(dòng)模式下的輸出力（圖2）。該柔性駐極體執(zhí)行器陣列可通過(guò)任意波形編程方式在人體皮膚上產(chǎn)生可分辨的空間和強(qiáng)度差異，從而可以編輯出不同“指令”式的觸覺(jué)反饋信號(hào)。
圖2 輸出性能評(píng)估
在該器件的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了完整的認(rèn)知輔助系統(tǒng)，并針對(duì)盲人輔助給出了兩類(lèi)人機(jī)界面演示（圖3）。一個(gè)演示是帶有可編程指令集的觸覺(jué)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)編輯波形指令代表“前進(jìn)”“停止”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”等，可以在外界嘈雜環(huán)境下替代語(yǔ)音交互進(jìn)行輔助導(dǎo)航。另一個(gè)演示是基于觸覺(jué)感知的盲文閱讀輔助模型，通過(guò)6像素執(zhí)行器陣列生成特定輸出模式，用以輔助人機(jī)交流。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步拓展該器件在生物醫(yī)學(xué)以及文創(chuàng)交互等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
圖3 柔性駐極體執(zhí)行器觸覺(jué)反饋演示應(yīng)用示意圖
相關(guān)成果近日以“基于柔性駐極體執(zhí)行器的可編程觸覺(jué)反饋模式實(shí)現(xiàn)認(rèn)知輔助”（Programmable Tactile Feedback Patterns for Cognitive Assistance by Flexible Electret Actuators）為題在線(xiàn)發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院錢(qián)翔副教授、澳門(mén)大學(xué)鐘俊文助理教授和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校林立偉教授為本文通訊作者，論文第一作者為清華-伯克利深圳學(xué)院2017級(jí)儀器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士生姜滔。論文其他作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院王曉浩教授，清華-伯克利深圳學(xué)院2017級(jí)儀器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士生邱文瀛，2018級(jí)電子信息（儀器儀表）專(zhuān)業(yè)碩士生葉星，2020級(jí)電子信息（智能制造）專(zhuān)業(yè)碩士生柳雨含，2019級(jí)電子信息（儀器儀表）專(zhuān)業(yè)碩士生李宇時(shí)等。研究工作得到了深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107985
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：田姬熔
