2019年，John A. Rogers院士、黃永剛院士在Nature上發表了他們首次實現將復雜的觸摸感融合到VR和AR中。他們發展了一種無線，無電池的電子系統平臺和觸覺界面，能夠輕柔地層壓在皮膚的曲面上，以通過時空可編程的局部機械振動模式來傳遞信息。觸覺致動器通過無線供電和控制，以及能壓層貼合任何類型皮膚，使其具有低耗能和安全便捷性。該研究為后續的很多工作奠定了基礎。近日，他們在可穿戴的皮膚觸覺上再獲突破！（雖然只是眾多CNS的一篇）
人體皮膚具有豐富的傳入神經元組成。在與皮膚的物理相互作用過程中，皮膚機械感受器會引起這些神經元的活動，并作為識別和定位物體的基礎。生物電子學領域一個令人興奮的最新方向涉及開發能夠以快速、可編程的方式使用這些傳入神經元的系統。與其他外周神經相比，體感傳入神經元可以通過與皮膚表面的直接相互作用選擇性地和非侵入性地激活。正如虛擬現實和增強現實系統的出現所表明的那樣，快速、可編程地操縱人類感官知覺的能力在社交媒體、游戲和娛樂領域有著廣泛的應用。在治療性生物醫學系統中也存在特別引人注目的機會，這些系統應用這些體感界面來替代和增強缺失的感官能力。要充分發揮這些應用的潛力，需要快速和緩慢適應（rapidly and slowly adapting分別為 RA 和 SA）的機械感受器的參與。這些特殊的細胞通過相互協調以及與分布在皮膚各處的自然機械結構協調，調節觸覺的感知和情感品質。鑒于此，美國西北大學John A. Rogers院士、黃永剛院士、西湖大學姜漢卿和大連理工大學解兆謙等人介紹了工程科學的概念，這些概念使得能夠通過無線實時接口定位與這些受體相關的機械響應曲線。他們展示了一種微型機電結構，當與皮膚結合作為彈性儲能元件時，它支持雙穩態自感知變形模式。圖 1b 說明了壓痕、剪切和振動觸覺刺激通過不同的接觸元件（包括剪紙結構和圓柱形探針）的傳輸。該小型機械傳感器的接合模式、功率傳輸密度和運行效率的多樣性代表了關鍵，使之能夠超越替代的靜電、氣動和電磁方法。該傳感器的基本概念（如圖 1c 所示）是將皮膚整合為一個中央機械部件，從而產生一種雙穩態機制，可回收在壓縮載荷下儲存的能量。詳細的生物力學研究為進一步小型化建立了原則，如圖 1c 的插圖所示。基于電感的自感應操作還可以作為閉環控制策略的一部分提高效率。這些特性使得組裝靈活、輕便、相互連接的陣列成為可能，如圖 1d、e 所示，其功能多樣性大大超出了以前的報告。在演示這種不受束縛、貼合皮膚的陣列作為感覺替代的觸覺界面時（圖 1f、g 中的示例），基于智能手機的感官提示源自 3D 掃描和慣性測量，可產生感知，從而提高視覺和本體感覺障礙模型的性能。
圖|使用電池供電的生物集成雙穩態傳感器陣列實現多感官反饋該皮膚交互能夠存儲和釋放機械能，這得益于三個關鍵的機械部件：核心、臂架和隔膜。核心內嵌有一個電磁線圈，位于一個軟鐵鈷磁鐵圓柱體內，它能夠集中磁場并減少相鄰單元間的干擾。臂架組件包括鐵鈷、釹鐵硼永磁體和鈦棒，鈦棒作為與皮膚接觸的線性軸。頂部由一種彈性隔膜封閉，這種隔膜由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和磁性納米粉末（MNP）組成。每個換能器都通過一個粘附層與皮膚耦合，粘附層上配有可調節高度的剛性、可扭轉鎖定的套件，以改變臂架的有效壓入深度。
圖|傳感器的機械特性以及皮膚在維持雙穩態中的作用
這種裝置能夠在壓縮狀態下儲存能量，并在放松狀態下釋放。在壓縮狀態下，永磁體通過臂架施加的磁場磁化軟鐵鈷核心，產生的強吸引力超過皮膚的反應力，從而在沒有電流通過線圈的情況下維持壓縮。在放松狀態下，皮膚和PDMS-MNP隔膜的彈性防止臂架恢復原位，除非施加電流。通過這種雙穩操作，換能器在狀態間轉換時消耗能量，但在任何狀態下不持續消耗能量。此外，這種技術還能夠提供雙模式的振動觸覺反饋，并且通過一種剪紙結構傳遞剪切力，這種結構能夠將垂直于皮膚的力轉換為與皮膚表面平行的切向力。這種裝置還包括一個基于無線陣列的自感機制，可以實時調整輸入功率以適應皮膚的變化。這里介紹的雙穩態自感應換能器通過能量回收機制與皮膚交互，提供了新的操作模式和相關的觸覺，其性能遠遠超過其他方法。這些概念是可編程的、皮膚貼合陣列的基礎，該陣列接收和呈現多模態機械刺激模式。通過其提供巨大力量和位移的能力，它可以重現與 SA 和 RA 類機械感受器相關的皮膚感覺。它還可以混合靜態和動態變形，解決需要這些類別之間協調和同時參與的感覺。最后，使用緊湊、高效的剪紙傳輸結構，它可以操縱力的方向。這些機械傳感通路有助于人類各種重要的感官知覺，包括皮膚與其物理環境接觸的起源、方向和紋理質量。因此，同時提供壓痕、扭轉和振動的能力為沉浸式觸覺真實感和提高其應用的直觀性提供了堅實的基礎。這種多感官操作特別適合需要整合復雜體感信息流的生物醫學應用，例如本文所研究的那些。在無線、貼合皮膚的觸覺界面演示中，基于智能手機的感官提示源自 3D 掃描和慣性測量，可產生感知，從而提高視覺、前庭和本體感覺替代任務模型的性能。1. Flavin, M.T., Ha, KH., Guo, Z. et al. Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution. Nature 635, 345–352 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-92. Yu, X., Xie,Z., Yu, Y. et al. Skin-integrated wireless haptic interfacesfor virtual and augmented reality. Nature 2019，575, 473–479.https://www.nature.com/articles/s41586-019-1687-0
