静电增强型振动触觉界面的时空渲染技术及其在动态感知再现中的应用

《The Innovation》：Spatiotemporal rendering for dynamic sensation reproduction via electrostatic-enhanced vibro-haptic interface

本研究针对非侵入式动态触觉反馈时空分辨率不足的难题，开发了基于压电致动器像素的静电增强型超薄振动触觉界面。通过心理物理学实验系统揭示了持续时间（duration）、间隔（interval）、延迟（delay）和两点距离（two-point distance）等时空参数与人类感知特性（强度、连续性、像素异步激活可辨性）的量化关系。成功演示了可穿戴触觉音乐（区分准确率95%）和虚拟动态交互再现，为高时空分辨率触觉界面设计提供了明确准则，发表于《The Innovation》期刊。

　　

在虚拟现实和智能假肢等领域，真实还原动态触觉交互一直是人机交互技术的瓶颈。人类皮肤通过低阈值机械感受器（Low-Threshold Mechanoreceptors, LTMRs）对时空接触事件具有极高敏感性，其空间分辨率可达0.4毫米，时间精度达亚毫秒级。然而，现有触觉反馈技术面临两难困境：侵入式电刺激虽能实现高分辨率，但存在个体差异大、需频繁校准的问题；非侵入式机械刺激设备则往往存在体积庞大、驱动电压高等局限性。更关键的是，由于对人类皮肤时空感知特性缺乏系统认知，设计能够匹配人体体感系统分辨率的触觉界面仍面临挑战。

为解决这一难题，澳门大学研究团队在《The Innovation》发表了题为“静电增强型振动触觉界面的时空渲染动态感知再现”的研究。他们开发了一种超薄柔性静电增强振动触觉界面，通过系统的心理物理学实验揭示了时空参数与人类感知特性的内在联系，并成功演示了其在可穿戴触觉音乐和虚拟动态交互中的应用。

研究采用的关键技术方法包括：基于聚四氟乙烯（PTFE）薄膜的压电致动器像素制备工艺、多通道便携驱动电路设计、结合短时傅里叶变换（STFT）的音乐节奏触觉编码算法，以及基于Unity 3D的虚拟交互平台构建。实验招募15名21-34岁志愿者，通过7项心理物理学测试量化感知特性。

设计策略与工作机制

该触觉界面采用三明治结构，以10μm厚PTFE薄膜作为极化电荷载体，搭配4.5μm厚铜电极，总厚度仅68.9μm。当施加250 V_rms、250 Hz的交流驱动电压时，同时产生机械振动和静电吸附效应。有限元分析（FEA）显示，静电吸附可使致动器位移增加4倍以上（图1D-E）。志愿者测试证实，静电增强使感觉强度评分从基准水平显著提升（图1F），尤其在低驱动电压下效果更为明显。

时空感知特性

研究发现：（1）感知阈值持续时间至少为20 ms，与LTMRs的生理放电间隔一致（图2E）；（2）振动连续性受持续时间和间隔共同影响，不规则强度感知间隔阈值约50-100 ms，断裂感感知间隔约350 ms（图2F）；（3）两点辨别距离为2.5 mm时准确率约64%，7.5 mm时提升至86%（图2G）；（4）异步激活致动器的可辨延迟时间约80-200 ms，与持续时间负相关（图2H）。这些发现为时空编程提供了量化依据。

可穿戴触觉音乐应用

研究人员在食指部署9个致动器像素，通过STFT算法提取音乐频谱能量波动，将其映射为激活像素数量变化（图3D-F）。测试显示，五段音乐节奏模式的区分准确率达95%（图3H），证明触觉通路可有效传递节奏信息，为听障人群提供了新的音乐感知方式。

虚拟动态交互再现

在虚拟环境中，30个致动器像素对应虚拟手的碰撞器状态。当虚拟手以固定速度划过单脊平面时，致动器以75 ms持续时间、165 ms延迟顺序激活，成功区分前进与后退运动（图4C-E）。对不同纹理平面（脊间距比1:2:4）的测试表明，间隔时间分别为122 ms、323 ms和728 ms，产生截然不同的连续性感知（图4G）。线性运动与挥动运动因各部位速度差异呈现显著不同的时空特征（图5），盲测志愿者能准确区分两种运动模式。

结论与展望

该研究通过静电增强技术实现了低电压驱动的高分辨率触觉界面，建立了时空参数与感知特性的映射关系，为动态触觉再现提供了设计准则。成功演示表明，该技术在可穿戴设备、虚拟现实等领域具有广泛应用前景。未来结合更深入的生理学和心理物理学研究，有望进一步推动触觉界面在物理和虚拟场景中的创新应用。