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11月7日，大连理工大学力学与航空航天学院、工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室解兆谦教授(共同通讯作者)与美国西北大学John A. Rogers教授课题组、黄永刚教授课题组及西湖大学姜汉卿教授课题组合作，在《自然》(Nature)上发表了题为“基于生物弹性状态恢复的触觉感官替代”(Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution)的研究论文。这是解兆谦教授继2022年作为主要作者在《科学》(Science)发表“外周神经可逆传导阻滞的柔软且生物可吸收冷却器”(Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves)一文后取得的又一项重要成果。
该研究发明了一种基于生物弹性状态恢复的无线、低功耗、多刺激模式触觉皮肤电子器件，通过力-电-磁控制的双稳态及压扭耦合结构力学设计，可实现对皮肤不同深度触觉机械感受器的动态和静态、法向力和剪切力的多模式激励。该可编程多模式触觉激励的皮肤电子器件在视觉、平衡感和触觉感官替代中存在广阔的应用前景。
人体皮肤中多样的机械触觉感受器能感知并传递丰富的触觉信息。在社交媒体、游戏、娱乐及生物医学康复治疗中，快速可编程的触觉激励器应用广泛且潜力巨大，能有效替代或增强人体感知能力。然而，现有触觉激励器功耗高、模式单一，仅能激活皮肤中单一类型的机械触觉感受器，且多为有线控制，限制了使用的便捷性和应用的广泛性。为充分挖掘触觉界面的应用潜力，需要皮肤中多类型机械感受器的协同参与，以实现多感官互动，这对可穿戴触觉激励/感官替代器件的开发提出了新的挑战。
图1 用于多感官替代的无线、低功耗、多刺激模式触觉皮肤电子器件
针对上述业界广泛关注的挑战性难题，该文创新性设计了一种基于生物弹性恢复的无线、可编程、低功耗且具备多刺激模式的触觉皮肤电子器件(见图1)。该器件凭借其独特的力-电-磁控制双稳态结构，能够在瞬态微电流的作用下，于压缩与放松两种状态间实现快速且精准的切换，实现皮肤不同层面的静态与动态的激励(见图2)。同时，器件集成的压扭力学结构，结合先进的Kirigami设计，巧妙地实现了对皮肤剪切力与法向力的耦合作用，极大地丰富了触觉激励的多样性和精准度(见图2)，为用户带来了更为真实、细腻的触感体验。此外，该器件采用了轻质的柔性延展力学结构设计，使得整体轻薄且易于穿戴，完美实现了与皮肤的无缝保形贴合，提升了用户的舒适度，确保了器件在长时间使用过程中的稳定性和可靠性。最为重要的是，该器件集成了先进的无线控制电路系统，能够根据前方障碍物、使用者身体姿势及步态等实时信息，智能地调整激励模式。这种智能化的设计使得器件能够为用户提供更为个性化、精准且实时的触觉反馈，从而在视觉、平衡感和触觉感官替代等领域展现出广阔的应用前景。
图2 力-电-磁控制的双稳态及压扭耦合力学结构设计
图3 感官替代人体测试
经过人体测试实验(见图3)，确切地证明了以下几点：首先，通过智能手机的LiDAR技术感知前方障碍物，并与触觉皮肤电子器件协同工作，能够为视力障碍者提供精确且可靠的导航指引(见图3f)。其次，利用智能手机内置的惯性测量单元(IMU)实时监测用户的身体姿势变化，并与触觉皮肤电子器件相结合，可以为用药后等平衡感受损的患者提供平衡感官替代方案(见图3g)。最后，通过IMU精准追踪脚步的方向以及与地面的相对角度，配合触觉皮肤电子器件，可以辅助糖尿病脚部感官缺失的患者调整步态，有效预防跌倒，从而实现对其脚部感官功能的精准替代(见图3h)。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08155-9
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