加州大学团队提出AR/VR可穿戴触觉人造肌肉皮肤HAMS

可以集成到XR系统中的可穿戴触觉人造肌肉皮肤HAMS

（中国AI网 2024年10月28日）现有的触觉致动器通常为刚性，并且在复制真实世界触觉的能力方面受到限制。针对这个问题，美国加州大学团队提出了一种可以集成到XR系统中的可穿戴触觉人造肌肉皮肤HAMS，从而增强沉浸感，并在娱乐、教育和辅助技术中提供潜在的应用。

据介绍，它基于全软毫米级多层介电弹性体致动器（DEA），能够产生明显的面外变形。DEA采用厚度变化的多层结构，可实现较大的面外位移和力，同时保持舒适性和耐磨性。实验结果表明，所述方法可以产生复杂的触觉反馈，并具有较高的感知精度。

加州大学团队提出AR/VR可穿戴触觉人造肌肉皮肤HAMS 第1张

当前的XR技术主要通过交互式视觉和声音增强人类体验，而XR的下一个前沿领域旨在通过结合触觉来重新定义沉浸感。这有可能彻底改变各个领域，包括娱乐，通信，教育。

下一代XR的核心是触觉致动器，负责从虚拟环境产生触觉并将触觉传递到我们皮肤真皮内的机械感受器。尽管传统的触觉致动器已有集成到XR接口中，但它们笨重的形状参数和对特定身体部位的限制缺乏通用性，阻碍了XR交互过程中的灵活性。限制用户的沉浸式体验。

皮肤集成触觉界面提供了一个有前景的替代方案，可灵活适应各种身体部位，从而减少侵入性，并实现与虚拟环境的自然交互。现有的皮肤集成触觉主要使用压电致动器或磁性马达以机械振动的形式产生人工感觉反馈。

然而，这种致动器固有的刚性阻碍了XR设备的可穿戴性。而且由于它们的低冲程，在准确复制需要持续力量和较低频率的现实世界体验方面存在不足。另外，它们提供的空间分辨率有限，这给向更小、更敏感的身体部位（如指尖）提供复杂触觉反馈带来了挑战。

软式传感器是有前景的替代品。全软毫米级多层介电弹性体致动器（DEA）具有响应快、带宽宽、应变大、能量密度高、运行无声等特点，可与天然肌肉相媲美，所以称为“人造肌肉”。

典型的DEA使用介电弹性体（DE）薄膜，其两侧涂有柔性电极。当置于电压偏置下时，它在厚度方向收缩，在平面内膨胀。尽管平面内致动可以拉伸皮肤以产生触觉，但这种刺激模式只对皮肤内密度相对较低的机械感觉器官鲁菲尼氏小体敏感。另一方面，皮肤压痕可以最佳地刺激更广泛的机械感受器，从而允许复制更复杂的物理相互作用。

所以，为了有效地传递真实的触觉，DEA必须产生显着的面外输出来压痕皮肤。在DEA中实现面外运动的一种方法是在DE薄膜的相对表面之间产生压力差。这种方法通常需要外部压力源和笨重的气动元件。另一种策略涉及使用刚性材料，但由于引入刚性组件，相关解决方案通常会损害致动器的耐磨性和舒适性，特别是在长时间使用后，并且会对致动器的性能产生不利影响。

加州大学团队提出AR/VR可穿戴触觉人造肌肉皮肤HAMS 第2张

针对上述问题，美国加州大学团队提出了一种基于毫米级多层DEA的可穿戴触觉人造肌肉皮肤HAMS。

HAMS是一种完全柔软的皮肤集成触觉界面，包括毫米级TVMDE致动器，可实现大的面外驱动。一个4mm的TVMDE可以产生高达1.36 mm的位移和高达0.21 N的力，同时保持超过20万次连续运行的高性能。有了这种柔软稳定的致动器和皮肤粘合剂，HAMS可以无缝地、牢固地附着在皮肤，并提供复杂的触觉反馈，感知精度超过90%。

所述人造皮肤能够产生显着的面外变形和压痕，以获得最佳的触觉刺激。DEA利用变厚多层DE 内的电场梯度机制，在没有外部压力偏置或任何非活性刚性组件的情况下实现面外变形。这使得HAMS能够保持完全柔软的结构，并具有最佳的可穿戴性和舒适性。

HAMS的可扩展性和可定制性允许它应用于不同的皮肤表面，并可以覆盖整个身体。另外，HAMS消除了可穿戴触觉设备中常见的刚性组件，并提供了额外的感觉，例如皮肤上的持续压力。