超薄指尖傳感器、可用于外科微創(chuàng)手術(shù)

圖中的人，蒙著眼睛，只需要用手指觸摸，就可以辨別出紙上的字母。實(shí)現(xiàn)這個(gè)能力，用的是一個(gè)重量?jī)H為1.3克的設(shè)備。而負(fù)責(zé)給指尖傳導(dǎo)信號(hào)的硅膠薄膜，只有18微米厚。這個(gè)厚度，薄于一張普通A4紙厚度（104微米）的1/5，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體表皮的厚度（數(shù)十到上千微米）。

這是中國(guó)科學(xué)家冀曉斌領(lǐng)銜開(kāi)發(fā)出的新型設(shè)備，只用1.3克的重量，能夠產(chǎn)生1Hz～500Hz的震動(dòng)信號(hào)，給手指?jìng)鬟f不同的觸感。實(shí)現(xiàn)“盲人摸字”的原理很簡(jiǎn)單，用發(fā)光二極管作為傳感器，感知紙面反光的強(qiáng)度，將信號(hào)傳遞給一個(gè)微型控制器。當(dāng)觸碰到黑色的區(qū)域，設(shè)備就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，將異樣的觸覺(jué)傳遞給指尖。人通過(guò)觸覺(jué)反饋，就能識(shí)別出圖案。

這個(gè)設(shè)備的名字叫做feel-through DEA ( 下稱FT-DEA ) ，“盲人摸字”的試驗(yàn)，只是對(duì)其功能的一個(gè)驗(yàn)證。更重要的是，這種輕巧的觸覺(jué)傳感器，提供了一種新型的人機(jī)交互界面，具有高靈敏度和寬信號(hào)頻域，如果跟不同的VR或AR設(shè)備結(jié)合，就可以開(kāi)發(fā)出更逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

冀曉斌介紹，“feel-through”表明了這款新型穿戴裝置的優(yōu)勢(shì)。由于其輕薄的特性，18微米的薄膜既能夠傳遞給手指額外的觸覺(jué)信號(hào)，同時(shí)又保持了人手指日常的感覺(jué)和活動(dòng)功能。“戴上這個(gè)裝置，繼續(xù)敲鍵盤(pán)，喝咖啡，或者是觸摸其它物品，都不會(huì)受影響?！?/p>

冀曉斌于2013年和2015年先后在法國(guó)獲得學(xué)士與碩士學(xué)位，2019年在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）獲得微系統(tǒng)與微電子博士學(xué)位，回國(guó)后，成為河北工業(yè)大學(xué)校聘教授，屬于該校李鐵軍教授團(tuán)隊(duì)成員，研究方向是小型智能軟體機(jī)器人系統(tǒng)與可穿戴設(shè)備。

他表示，自己原本在EPFL做博士后，12月回國(guó)，正好趕上疫情，就辭去了在瑞士的工作，決定在國(guó)內(nèi)高校任職。在幾個(gè)選項(xiàng)中，他被河北工業(yè)大學(xué)所提供的資源和平臺(tái)所打動(dòng)，最終選擇了這里，目前他正在籌備自己的實(shí)驗(yàn)室。

a.指尖上的Feel-through DEA觸覺(jué)設(shè)備；b.佩戴FT-DEA彈鋼琴

一提到VR和AR設(shè)備，標(biāo)志性的設(shè)備就是頭戴眼鏡，它能夠呈現(xiàn)出栩栩如生的畫(huà)面和聲音。但這只是虛擬體驗(yàn)的一部分，更困難的是提供虛擬觸覺(jué)。

目前，實(shí)現(xiàn)與虛擬對(duì)象的互動(dòng)，需要使用手持的電機(jī)設(shè)備，它們不僅笨重，也只能傳導(dǎo)非常粗糙的觸感，使用的時(shí)候，需要以特定的姿勢(shì)持握，對(duì)人的動(dòng)作限制也很大。也就是說(shuō)，現(xiàn)有的手持設(shè)備，會(huì)阻止人手原有的力學(xué)感受功能，穿戴上以后，手指日常的功能就會(huì)受到影響。

要實(shí)現(xiàn)科幻電影里身臨其境的V R和AR，必須要有更輕便的觸覺(jué)傳感裝置。冀曉斌和同事們的工作，就是在這一思路下誕生的。

能夠做出如此輕便的設(shè)備，關(guān)鍵的技術(shù)在于以極低的電壓輸出高功率密度，從而將人類能夠識(shí)別的信號(hào)送達(dá)到指尖。雖然硅膠薄膜只有18微米厚，但是在輸出信號(hào)為580Hz時(shí)，功率密度能夠大于10W/m 。

低驅(qū)動(dòng)電壓，使得FT-DEA的控制與供能設(shè)備可以做得足夠小，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線工作，這滿足了穿戴設(shè)備的需求。

低電壓的技術(shù)，是冀曉斌在博士課題中實(shí)現(xiàn)的突破。他在EPFL做博士期間，師從軟體傳感器實(shí)驗(yàn)室（EPFL—LMTS）主任Herbert Shea教授，完成了“低電壓高速率介電型彈性體驅(qū)動(dòng)器”的課題。高驅(qū)動(dòng)電壓是20多年來(lái)困擾DEA領(lǐng)域的一個(gè)基本問(wèn)題。

Valve Index Vr設(shè)備

所謂DEA，是介電型彈性體驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)稱。冀曉斌介紹，這是一種電驅(qū)動(dòng)的人工肌肉，可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

冀曉斌的博士課題成功地將DEA驅(qū)動(dòng)電壓降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且研發(fā)出了前所未有的高性能、低電壓DEA。

冀曉斌也針對(duì)開(kāi)發(fā)的低電壓、高性能DEA設(shè)計(jì)了新型應(yīng)用，之前設(shè)計(jì)的軟體機(jī)器昆蟲(chóng)，發(fā)表于機(jī)器人頂尖期刊Science Robotics；此次的FT-DEA則是可穿戴的觸覺(jué)反饋裝置，于2020年10月發(fā)表于材料學(xué)期刊Advanced Functional Materials上。兩篇論文，冀曉斌都是一作。

DEA所使用的硅膠薄膜本身不導(dǎo)電，它雙面涂上電極后相當(dāng)于一個(gè)電容器，當(dāng)充滿電之后，兩電極間產(chǎn)生的靜電力在厚度方向壓縮硅膠薄膜，從而讓薄膜面積增大產(chǎn)生形變。這一過(guò)程把電能轉(zhuǎn)化成了機(jī)械能。使用不同頻率的控制電信號(hào)，可以控制驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行速率。

冀曉斌形容，“通俗地講，DEA就是一個(gè)軟體平行板電容器?！笔褂镁鄱坠柩跬椋≒DMS）這一材料當(dāng)作介電層的性能優(yōu)勢(shì)是相關(guān)DEA的反應(yīng)速率快，能夠達(dá)到毫秒級(jí)別。由于PDMS這種材料的粘彈性很小，相比于其它的介電材料（比如VHB）其力學(xué)性質(zhì)對(duì)DEA運(yùn)行速度的影響要小的多。

手指尖端有豐富的感受神經(jīng)，而以彈性硅膠為材料的DEA能夠適應(yīng)手指的形狀并且貼合皮膚。FT-DEA在通電工作時(shí)完全靜音，因此非常適合作為穿戴于指尖的觸覺(jué)反饋器。

FT-EDA戴在手指上，在不通電的時(shí)候，硅膠薄膜處于預(yù)拉伸的狀態(tài)，會(huì)給指尖皮膚一個(gè)輕微的壓力。當(dāng)通電之后，靜電力產(chǎn)生作用，DEA激活，就會(huì)釋放預(yù)先施加的壓力，從而使皮膚產(chǎn)生正方向（縱向）的位移。當(dāng)使用從1到500Hz不同的驅(qū)動(dòng)頻率，薄膜會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同的位移和拉伸，從而產(chǎn)生不同的觸覺(jué)反饋信號(hào)。

d. DEA通過(guò)拉伸皮膚來(lái)給穿戴者產(chǎn)生觸覺(jué)反饋信號(hào) e.電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)下皮膚以及FT-DEA側(cè)視圖

那人類是否能夠準(zhǔn)確識(shí)別出不同的信號(hào)類型呢？

研究尋找了11個(gè)不同性別、年齡的使用者，通過(guò)兩個(gè)測(cè)試來(lái)收集他們的反饋。第一個(gè)測(cè)試，研究人員用不同頻率的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，讓使用者評(píng)判是否能夠感知到信號(hào)，并按照感覺(jué)強(qiáng)度從0（沒(méi)感覺(jué)）到4（感覺(jué)很強(qiáng)）給出打分。最終的結(jié)果顯示，除了關(guān)機(jī)時(shí)的感覺(jué)為零，_ 幾乎 _ 其它的頻率都可以被感知到，而在5Hz～200Hz的區(qū)間，感知程度都保持在2以上。

在第二個(gè)測(cè)試中，使用者被隨機(jī)給予6種不同的信號(hào)類型：10Hz、200Hz、在10Hz與2 0 0 H z間切換、由關(guān)閉升為2 0 0 H z、由200Hz降為關(guān)閉、關(guān)閉。通過(guò)10分鐘的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后，使用者被隨機(jī)給予不同的信號(hào)刺激，并進(jìn)行辨別，結(jié)果顯示了73%到97%的辨別正確率。

這兩個(gè)試驗(yàn)證明，僅僅通過(guò)目前指尖單點(diǎn)的裝置，已經(jīng)能夠成功傳導(dǎo)多種觸覺(jué)信號(hào)。

冀曉斌表示，這僅僅是一個(gè)初步驗(yàn)證，證明FT-DEA準(zhǔn)確表達(dá)觸覺(jué)信號(hào)的可行性，研究中已經(jīng)展示了10個(gè)DEA在手指上形成的一個(gè)陣列結(jié)構(gòu)，未來(lái)將突破單點(diǎn)的信號(hào)模式，使用DEA陣列來(lái)模擬局部的手部感覺(jué)，或者反饋更為完整的運(yùn)動(dòng)路徑。

請(qǐng)問(wèn)FT-DEA的結(jié)構(gòu)是怎樣的？

冀曉斌：這是一個(gè)多層的結(jié)構(gòu)，兩層電極中間夾一個(gè)介電彈性體硅膠層，是一個(gè)基本的單元。一共有3個(gè)單元堆疊起來(lái)，總計(jì)共有7層，其中有4層電極，3層硅膠層。這樣設(shè)計(jì)的目的是增大它的輸出力，單硅膠層厚度是 6微米。在這項(xiàng)工作中，我們堆疊了三層，手指尖端的感受很靈敏，如果將來(lái)應(yīng)用于身體其它部位，比如背部，有對(duì)輸出力的強(qiáng)度有更高的要求，可以通過(guò)堆疊更多的厚度來(lái)增加輸出力，從而使其它部位也能夠感受到反饋信號(hào)。

FT-DEA的特色是能夠在低電壓的驅(qū)動(dòng)下，以非常薄的材料實(shí)現(xiàn)其性能，這建立在你博士課題的技術(shù)突破上，實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)的難點(diǎn)在哪里？

冀曉斌：降低DEA驅(qū)動(dòng)電壓大致有兩種方法，第一，增加介電層的介電常數(shù)。第二，降低介電層的薄膜厚度。我們選取的是第二種途徑。

當(dāng)薄膜厚度降低后，對(duì)薄膜的質(zhì)量要求很高。如果薄膜質(zhì)量不高，比如厚度不均勻，相關(guān)DEA性能會(huì)受限制。

更加具有挑戰(zhàn)性的是，降低介電層厚度后，對(duì)DEA的電極要求苛刻。既需要有很好的導(dǎo)電性能來(lái)保證DEA快速充放電，又必須具備很好的力學(xué)性能來(lái)降低對(duì)整個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)的僵化。我們開(kāi)發(fā)了基于Langmuir原理的先進(jìn)納米制造工藝來(lái)二維組裝DEA的可拉升電極。研發(fā)出了分子厚度的可拉伸電極來(lái)滿足這些苛刻要求。

10個(gè)DEA組成的陣列，覆蓋在手指上

在蒙眼識(shí)字的試驗(yàn)中，增加了一個(gè)發(fā)光二極管，它的作用是什么？

冀曉斌：這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們做了一個(gè)集成的無(wú)線控制系統(tǒng)，整體裝置只有 1.3克，這也是可穿戴設(shè)備的要求，不能很重，不會(huì)影響正常生活。發(fā)光二極管的作用是識(shí)別顏色，它能夠探測(cè)顏色，將收集到的信號(hào)傳導(dǎo)給微控制器，從而決定FT-DEA是否開(kāi)啟。當(dāng)探測(cè)到黑色的時(shí)候，微控制器就會(huì)反饋出450伏200赫茲的頻控制信號(hào)，而在白色的時(shí)候是關(guān)閉的。使用者通過(guò)手指的感受就可以讀取黑色的字母。

目前只進(jìn)行了一個(gè)識(shí)字試驗(yàn)，F(xiàn)T-DEA還有哪些應(yīng)用的潛力？

冀曉斌：VR里，可以應(yīng)用它去觸碰一些虛擬的物體。研究中展示了一個(gè)戴在手指上的矩陣，假設(shè)它可以覆蓋整只手，就可以實(shí)現(xiàn)感知一些虛擬的圖像，或者當(dāng)手做出一個(gè)類似抓握這樣的動(dòng)作時(shí)，也可以給予相對(duì)應(yīng)的反饋信號(hào)。

當(dāng)然我們目前只是模擬了表皮上的觸覺(jué)，如果未來(lái)的VR要實(shí)現(xiàn)讓人感受到一個(gè)不存在的事物，比如拿住一支筆，需要完整的信息，包括關(guān)節(jié)的姿態(tài)，還有皮膚的觸覺(jué)，一個(gè)理想的手套是能夠完成所有的任務(wù)的。這也是將來(lái)要突破的工作。

另外在一些需要精細(xì)操作的地方，比如一些外科手術(shù)、精細(xì)組裝等，人體本身的精度是有限的，在精細(xì)操作的時(shí)候容易產(chǎn)生誤差，而電子設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精準(zhǔn)度。

比如一些外科微創(chuàng)手術(shù)，能夠通過(guò)它來(lái)告知操作者精度的范圍，幫助人手實(shí)現(xiàn)更好的操作。這能夠?qū)崿F(xiàn)人和機(jī)器之間更密切的交互，機(jī)器通過(guò)觸覺(jué)反饋給人類信號(hào)，比如將一層這樣活性的薄膜戴在手上時(shí)，就增強(qiáng)了人機(jī)交互的維度，同時(shí)具有便利性。