“纸”上弹琴！——会发声且有触觉反馈的纸基器件：触觉引导下的高效乐器学习

图2. 扬声器单元的参数优化。(A) 声压级(SPL)测量示意图；(B) 不同驱动电压下穿孔和未穿孔纸基底对声压级的响应结果；(C) 不同孔径和孔密度的纸基底的照片和示意图；(D) 孔径对声压级的影响；(E) 声压级与孔密度的关系；(F) 顶部纸基底厚度变化对声压级的影响；(G) 中间和底部纸基底厚度与声压级的关系；(H) 不同厚度的PLA静电薄膜与声压级值的关系；(I) 不同表面电位的 PLA 静电薄膜与声压级值的关系。

触觉单元的性能验证显示(图3)，在不同预压条件下，低频振动位移可达到2–3 μm，足够被手指清晰感知。实验还比较了方波和正弦波信号对触觉反馈的影响，结果表明方波信号结合纸-PLA复合结构可产生最稳定且易被感知的振动反馈。通过这种高灵敏度的触觉提示，用户可以在不依赖视觉信息的情况下准确完成操作动作，有效实现被动学习。

图3. 触觉反馈单元的参数优化。(A) 触觉反馈单元的振动位移分布；(B) 振动位移与顶部和底部纸基底的不同厚度组合的关系；(C) 振动位移与预载荷的关系；(D) 触觉反馈单元在正弦波和方波驱动下的频率响应；(E) 驱动电压与测量位移的关系；(F) 用户感知实验的照片；(G) 纸基设备每个通道的识别准确率。

设备耐久性同样经过严格测试(图4)。在连续43,200次按压实验中，触觉位移和声压级几乎无衰减，显示出良好的机械稳定性和可靠性。通过有限元分析，研究团队发现纸孔结构在应力分布上可以有效降低局部应力集中，从而显著提高疲劳寿命。这种高耐久性保证了设备可长时间反复使用，满足实际教学或实验环境中长时间操作的需求。

图4. 纸基装置的抗疲劳性能评估。(A) 声压级(SPL)与压缩应变之间的关系；(B) 在连续按压 12 小时(约 43,200 次循环)期间，触觉反馈单元的位移和扬声器单元的SPL值在不同时间点的收集结果；(C) 连续按压测试前后纸基装置产生的SPL的比较；(D) 连续按压测试后不同激励频率下的信噪比；(E) 穿孔支撑框架应力分布的模拟；(F) 穿孔支撑框架与非穿孔支撑框架的抗疲劳性能比较。施加固定压缩应变30%。

为了验证学习效果，研究团队将多个纸基器件集成在书本中，构建“纸钢琴”。在实验中，用户仅通过触觉提示就能完成乐曲演奏，无需大量预先练习。对比传统重复练习，触觉引导的学习时间减少约35%，操作准确率达到100%，显示出触觉提示在提升学习效率和操作精确性上的优势(图5)。这种方法不仅适合音乐教育，也为康复训练和沉浸式学习提供了新的可能。

图5. 便携式纸基设备的演示。(A) 展示该便携式纸基设备一种使用场景的照片；(B) 两个便携式电路板照片；(C) 纸基设备与触觉反馈单元及扬声器单元相结合的工作流程的框图；(D) 纸基设备在不同音阶下的保真度结果；(E) 使用便携电路板驱动扬声器时不同音阶的声压级值；(F) 对应不同音阶的振动位移，表明触觉反馈单元的输出可以被人类手指轻易感知；(G) 志愿者在不同组中表演“两只老虎”的波形图。