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　　11月7日，大(da)(da)連理工大(da)(da)學(xue)力學(xue)與(yu)航空航天(tian)學(xue)院、工業(ye)裝備結(jie)構分析(xi)優化(hua)與(yu)CAE軟(ruan)件全(quan)國重點實驗室解兆(zhao)謙(qian)教授(shou)(shou)(共同(tong)通訊作(zuo)者(zhe))與(yu)美國西北大(da)(da)學(xue)John A. Rogers教授(shou)(shou)課(ke)(ke)題組、黃永剛教授(shou)(shou)課(ke)(ke)題組及西湖大(da)(da)學(xue)姜(jiang)漢卿教授(shou)(shou)課(ke)(ke)題組合作(zuo)，在《自(zi)然》(Nature)上發表了題為(wei)“基于生物彈性狀態(tai)恢復的觸(chu)覺感(gan)官替代(dai)”(Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution)的研(yan)究論文(wen)。這(zhe)是解兆(zhao)謙(qian)教授(shou)(shou)繼2022年作(zuo)為(wei)主要(yao)作(zuo)者(zhe)在《科學(xue)》(Science)發表“外周(zhou)神經(jing)可逆傳導阻(zu)滯的柔軟(ruan)且(qie)生物可吸收冷卻器”(Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves)一(yi)文(wen)后(hou)取(qu)得的又一(yi)項重要(yao)成果(guo)。

　　該研究發(fa)明(ming)了一(yi)種基于生物彈性狀態(tai)恢復的無線、低功耗、多(duo)刺激(ji)模式(shi)觸(chu)覺(jue)皮膚電(dian)子器(qi)件，通過力-電(dian)-磁控制的雙穩態(tai)及壓扭耦(ou)合結構(gou)力學(xue)設(she)計，可實現對皮膚不同深(shen)度觸(chu)覺(jue)機械感(gan)受器(qi)的動態(tai)和靜(jing)態(tai)、法向(xiang)力和剪切力的多(duo)模式(shi)激(ji)勵。該可編程多(duo)模式(shi)觸(chu)覺(jue)激(ji)勵的皮膚電(dian)子器(qi)件在(zai)視覺(jue)、平(ping)衡感(gan)和觸(chu)覺(jue)感(gan)官替代中存在(zai)廣(guang)闊的應用前景。

　　人體皮(pi)(pi)膚中多(duo)樣的(de)(de)機械(xie)觸覺(jue)(jue)感受(shou)器能感知(zhi)并傳遞豐富(fu)的(de)(de)觸覺(jue)(jue)信息。在社(she)交媒(mei)體、游戲、娛樂及(ji)生物醫學(xue)康(kang)復治療中，快速可(ke)(ke)編程的(de)(de)觸覺(jue)(jue)激(ji)勵(li)器應(ying)用(yong)廣(guang)泛(fan)且潛力巨大，能有效替代或增強人體感知(zhi)能力。然而(er)，現有觸覺(jue)(jue)激(ji)勵(li)器功耗高(gao)、模(mo)式單一(yi)，僅(jin)能激(ji)活皮(pi)(pi)膚中單一(yi)類型的(de)(de)機械(xie)觸覺(jue)(jue)感受(shou)器，且多(duo)為有線控制(zhi)，限(xian)制(zhi)了使用(yong)的(de)(de)便捷性和應(ying)用(yong)的(de)(de)廣(guang)泛(fan)性。為充分挖掘觸覺(jue)(jue)界面的(de)(de)應(ying)用(yong)潛力，需要(yao)皮(pi)(pi)膚中多(duo)類型機械(xie)感受(shou)器的(de)(de)協同參與，以實現多(duo)感官互動(dong)，這對可(ke)(ke)穿(chuan)戴(dai)觸覺(jue)(jue)激(ji)勵(li)/感官替代器件的(de)(de)開發提出了新的(de)(de)挑戰。

圖1 用于多(duo)感官替代的無線、低(di)功耗、多(duo)刺(ci)激模(mo)式觸覺皮膚電子器件

　　針對上述業(ye)界廣泛關注的(de)(de)(de)(de)(de)(de)挑戰性(xing)(xing)難題，該(gai)文創新(xin)性(xing)(xing)設(she)(she)計(ji)(ji)了一種(zhong)基于(yu)生物彈(dan)性(xing)(xing)恢復(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)無(wu)線、可編(bian)程、低(di)功耗且(qie)(qie)具備(bei)多刺(ci)激(ji)模式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)觸(chu)覺(jue)皮膚(fu)電子器(qi)(qi)件(jian)(jian)(見圖(tu)1)。該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)憑(ping)借其獨特的(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)-電-磁(ci)控(kong)制雙穩態(tai)結構，能(neng)夠(gou)(gou)在(zai)瞬態(tai)微電流的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)下，于(yu)壓縮與(yu)放松兩種(zhong)狀態(tai)間實(shi)(shi)現快速且(qie)(qie)精準的(de)(de)(de)(de)(de)(de)切換，實(shi)(shi)現皮膚(fu)不同(tong)層(ceng)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)靜態(tai)與(yu)動態(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)激(ji)勵(li)(見圖(tu)2)。同(tong)時(shi)，器(qi)(qi)件(jian)(jian)集成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓扭力(li)學結構，結合(he)先進的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Kirigami設(she)(she)計(ji)(ji)，巧妙地實(shi)(shi)現了對皮膚(fu)剪切力(li)與(yu)法向力(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)耦合(he)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)，極大地豐富了觸(chu)覺(jue)激(ji)勵(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)多樣(yang)性(xing)(xing)和精準度(見圖(tu)2)，為(wei)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)戶帶來了更(geng)為(wei)真實(shi)(shi)、細膩的(de)(de)(de)(de)(de)(de)觸(chu)感(gan)體(ti)驗(yan)。此(ci)外，該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)采用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)了輕質(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)柔(rou)性(xing)(xing)延展(zhan)力(li)學結構設(she)(she)計(ji)(ji)，使得整體(ti)輕薄且(qie)(qie)易于(yu)穿戴，完(wan)美實(shi)(shi)現了與(yu)皮膚(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)無(wu)縫保(bao)形貼合(he)，提升了用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)戶的(de)(de)(de)(de)(de)(de)舒適度，確保(bao)了器(qi)(qi)件(jian)(jian)在(zai)長(chang)時(shi)間使用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)過程中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)和可靠性(xing)(xing)。最為(wei)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是，該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)集成(cheng)了先進的(de)(de)(de)(de)(de)(de)無(wu)線控(kong)制電路(lu)系(xi)統，能(neng)夠(gou)(gou)根據前(qian)方(fang)障礙物、使用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)者身體(ti)姿勢及步態(tai)等實(shi)(shi)時(shi)信息，智(zhi)能(neng)地調整激(ji)勵(li)模式(shi)。這種(zhong)智(zhi)能(neng)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)使得器(qi)(qi)件(jian)(jian)能(neng)夠(gou)(gou)為(wei)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)戶提供(gong)更(geng)為(wei)個性(xing)(xing)化(hua)、精準且(qie)(qie)實(shi)(shi)時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)觸(chu)覺(jue)反饋，從(cong)而(er)在(zai)視覺(jue)、平衡感(gan)和觸(chu)覺(jue)感(gan)官(guan)替代(dai)等領域(yu)展(zhan)現出廣闊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)前(qian)景。

圖2 力(li)-電-磁控制的(de)雙穩態及壓扭(niu)耦(ou)合力(li)學結構設計

圖(tu)3 感官替代人體(ti)測試

　　經過人體測(ce)試(shi)實(shi)驗(見圖(tu)(tu)3)，確切地證(zheng)明了以下(xia)幾點(dian)：首先，通過智(zhi)能(neng)手機的LiDAR技術感(gan)知前方障礙物，并(bing)與(yu)觸覺皮膚電(dian)子(zi)器件(jian)(jian)(jian)協同工作，能(neng)夠為視(shi)力障礙者提供精確且可(ke)靠的導航指引(yin)(見圖(tu)(tu)3f)。其次，利(li)用(yong)智(zhi)能(neng)手機內置(zhi)的慣性測(ce)量單元(IMU)實(shi)時(shi)監測(ce)用(yong)戶的身體姿勢變化，并(bing)與(yu)觸覺皮膚電(dian)子(zi)器件(jian)(jian)(jian)相結合(he)(he)，可(ke)以為用(yong)藥后(hou)等平衡感(gan)受損的患者提供平衡感(gan)官替代(dai)方案(見圖(tu)(tu)3g)。最后(hou)，通過IMU精準(zhun)追蹤腳步的方向以及(ji)與(yu)地面的相對角度，配合(he)(he)觸覺皮膚電(dian)子(zi)器件(jian)(jian)(jian)，可(ke)以輔(fu)助糖尿病腳部感(gan)官缺失(shi)的患者調整步態，有(you)效預防跌倒(dao)，從(cong)而實(shi)現對其腳部感(gan)官功能(neng)的精準(zhun)替代(dai)(見圖(tu)(tu)3h)。

　　論文(wen)鏈接：//www.nature.com/articles/s41586-024-08155-9