中國(guó)教育在線
11月7日，大連理工大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院、工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化與CAE軟件全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室解兆謙教授(共同通訊作者)與美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers教授課題組、黃永剛教授課題組及西湖大學(xué)姜漢卿教授課題組合作，在《自然》(Nature)上發(fā)表了題為“基于生物彈性狀態(tài)恢復(fù)的觸覺感官替代”(Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution)的研究論文。這是解兆謙教授繼2022年作為主要作者在《科學(xué)》(Science)發(fā)表“外周神經(jīng)可逆?zhèn)鲗?dǎo)阻滯的柔軟且生物可吸收冷卻器”(Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves)一文后取得的又一項(xiàng)重要成果。
該研究發(fā)明了一種基于生物彈性狀態(tài)恢復(fù)的無(wú)線、低功耗、多刺激模式觸覺皮膚電子器件，通過(guò)力-電-磁控制的雙穩(wěn)態(tài)及壓扭耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚不同深度觸覺機(jī)械感受器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)、法向力和剪切力的多模式激勵(lì)。該可編程多模式觸覺激勵(lì)的皮膚電子器件在視覺、平衡感和觸覺感官替代中存在廣闊的應(yīng)用前景。
人體皮膚中多樣的機(jī)械觸覺感受器能感知并傳遞豐富的觸覺信息。在社交媒體、游戲、娛樂及生物醫(yī)學(xué)康復(fù)治療中，快速可編程的觸覺激勵(lì)器應(yīng)用廣泛且潛力巨大，能有效替代或增強(qiáng)人體感知能力。然而，現(xiàn)有觸覺激勵(lì)器功耗高、模式單一，僅能激活皮膚中單一類型的機(jī)械觸覺感受器，且多為有線控制，限制了使用的便捷性和應(yīng)用的廣泛性。為充分挖掘觸覺界面的應(yīng)用潛力，需要皮膚中多類型機(jī)械感受器的協(xié)同參與，以實(shí)現(xiàn)多感官互動(dòng)，這對(duì)可穿戴觸覺激勵(lì)/感官替代器件的開發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。
圖1 用于多感官替代的無(wú)線、低功耗、多刺激模式觸覺皮膚電子器件
針對(duì)上述業(yè)界廣泛關(guān)注的挑戰(zhàn)性難題，該文創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了一種基于生物彈性恢復(fù)的無(wú)線、可編程、低功耗且具備多刺激模式的觸覺皮膚電子器件(見圖1)。該器件憑借其獨(dú)特的力-電-磁控制雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠在瞬態(tài)微電流的作用下，于壓縮與放松兩種狀態(tài)間實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的切換，實(shí)現(xiàn)皮膚不同層面的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的激勵(lì)(見圖2)。同時(shí)，器件集成的壓扭力學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合先進(jìn)的Kirigami設(shè)計(jì)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮膚剪切力與法向力的耦合作用，極大地豐富了觸覺激勵(lì)的多樣性和精準(zhǔn)度(見圖2)，為用戶帶來(lái)了更為真實(shí)、細(xì)膩的觸感體驗(yàn)。此外，該器件采用了輕質(zhì)的柔性延展力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得整體輕薄且易于穿戴，完美實(shí)現(xiàn)了與皮膚的無(wú)縫保形貼合，提升了用戶的舒適度，確保了器件在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。最為重要的是，該器件集成了先進(jìn)的無(wú)線控制電路系統(tǒng)，能夠根據(jù)前方障礙物、使用者身體姿勢(shì)及步態(tài)等實(shí)時(shí)信息，智能地調(diào)整激勵(lì)模式。這種智能化的設(shè)計(jì)使得器件能夠?yàn)橛脩籼峁└鼮閭€(gè)性化、精準(zhǔn)且實(shí)時(shí)的觸覺反饋，從而在視覺、平衡感和觸覺感官替代等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
圖2 力-電-磁控制的雙穩(wěn)態(tài)及壓扭耦合力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3 感官替代人體測(cè)試
經(jīng)過(guò)人體測(cè)試實(shí)驗(yàn)(見圖3)，確切地證明了以下幾點(diǎn)：首先，通過(guò)智能手機(jī)的LiDAR技術(shù)感知前方障礙物，并與觸覺皮膚電子器件協(xié)同工作，能夠?yàn)橐暳φ系K者提供精確且可靠的導(dǎo)航指引(見圖3f)。其次，利用智能手機(jī)內(nèi)置的慣性測(cè)量單元(IMU)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的身體姿勢(shì)變化，并與觸覺皮膚電子器件相結(jié)合，可以為用藥后等平衡感受損的患者提供平衡感官替代方案(見圖3g)。最后，通過(guò)IMU精準(zhǔn)追蹤腳步的方向以及與地面的相對(duì)角度，配合觸覺皮膚電子器件，可以輔助糖尿病腳部感官缺失的患者調(diào)整步態(tài)，有效預(yù)防跌倒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其腳部感官功能的精準(zhǔn)替代(見圖3h)。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08155-9
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