可穿戴触觉交互新成果：自供能电刺激纺织触觉手套

2025-04-14 08:00:16 65阅读次数

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研究背景

人机界面（HMI）在多领域至关重要，触觉反馈技术可增强用户体验，在虚拟现实（VR）/ 增强现实（AR）、假肢控制和治疗等应用中作用显著。现有触觉设备因仪器和电源模块笨重，存在舒适性和便携性差、散热难、工作电压高及成本高等问题，限制了其应用。实现触觉技术的自供电具有重要意义，摩擦纳米发电机（TENGs）能将机械能转化为高电压，有望为自供电触觉设备提供支持。

研究成果

人机界面（HMI）在各个领域都发挥着重要作用，触觉技术在其中提供关键的触觉反馈，极大地提升了用户体验，尤其是在虚拟现实 / 增强现实、假肢控制以及治疗应用等方面。通过触觉反馈，用户能够以更真实的方式与设备进行交互，从而提高体验的整体效果。然而，现有的触觉设备往往因仪器和电源模块繁杂而体积庞大，这限制了设备的舒适性和便携性。在此，香港理工大学郑子健、香港城市大学于欣格教授等人引入一种可穿戴触觉技术概念：一种轻薄柔软的自供电电触觉纺织触觉（SPETH）手套，它利用摩擦电效应和气体击穿放电进行局部电刺激。日常手部运动产生的机械能足以驱动 SPETH 手套。其柔软、轻便、自维持、便携且成本低廉的特点，使其无需外部设备就能随时随地提供触觉反馈。这使得 SPETH 手套成为一种增强型、无需电池的人机界面，适用于广泛的应用场景。相关研究以“Self--powered electrotactile textile haptic glove for enhanced human--machine interface”为题发表在Science Advances期刊上。

研究亮点

1. 利用摩擦电效应将手部运动机械能转化为电能，实现自供电，摆脱外部电源束缚，随时随地提供触觉反馈。

2. 采用轻薄柔软材料，基于织物和刺绣技术制作，佩戴舒适，不影响手部活动，便于携带。

3. 在 VR/AR、假肢控制、电刺激治疗等多领域展现出应用潜力，可增强交互体验，提升假肢使用者感知能力。

研究内容

1. SPETH 手套设计：基于摩擦电效应和气体击穿放电原理，设计了自供电电触觉纺织触觉（SPETH）手套。该手套由纺织基摩擦电单元、带气体放电管（GDT）的管理电路和皮肤电极组成。日常手部运动使手套收集静电能，能量积累到阈值时，GDT 放电，电流刺激皮肤感觉受体，产生触觉反馈，实现自供电双向传感与反馈。

2. 电气性能测试：研究发现，SPETH 手套摩擦电单元的输出电压和感应电荷随加载压力增加而增加，在 160kPa 压力下分别趋于 600V 和 20nC 饱和。GDT 在 TENG 特定约束下表现出色，充电曲线显示手套输出能力强，能快速为电容充电。研究还分析了皮肤阻抗、电容和放电阈值对实际输出电流的影响，结果符合欧姆定律。

3. 触觉反馈优化：通过电路设计和材料选择优化手套触觉功能。对 30 名参与者的研究表明，电容和 GDT 击穿阈值会影响触觉感知，且存在性别差异，女性感知所需电容更低。电极间距、位置和用户年龄也会影响触觉感知，手臂外侧更敏感。

4. 应用探索：SPETH 手套可用于肢体感觉反馈，在假肢控制中，能让用户感知假肢与物体接触并控制抓取。在 VR/AR 领域，可实现虚拟物体抓取。其放电电流还可用于电刺激治疗。

总结与展望

本研究成功开发了一种基于摩擦电效应和气体放电管（GDT）击穿的自供能电触觉（SPETH）手套，并结合电刺激以实现自供能触觉反馈。该手套仅需微焦耳级别的能量即可引发显著的触觉感知。这一成果标志着可穿戴触觉技术的重大进步，SPETH手套有着自供能、便携性和成本较低的优点。为从增强现实（AR）和虚拟现实（VR）体验到康复治疗以及人机交互等广泛应用领域开辟了广阔前景。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scidav.adt0318