一种用于多模态皮肤反馈的柔性皮肤触觉界面

触觉反馈系统是提升增强现实与虚拟现实应用沉浸感的关键技术，尤其适用于需要精细手指动作的场景。然而现有技术普遍受限于笨重僵硬的设备，不仅影响佩戴舒适度，还难以提供细腻的触觉反馈。我们研发了一款轻量化柔性指戴式触觉装置，可实现精准可控的触觉反馈。该装置由四组蛇形形状记忆合金结构组成，通过操控触觉传感器形成独立与协同的驱动模式。整套系统可实现11种独特动作，呈现多样化的触觉体验。装置采用三维柔性指套与弹性保护层设计，能完美贴合人体手指，显著提升佩戴舒适度。实验表明，这种触觉界面可广泛应用于虚拟现实与现实场景中的各类操作。

文章核心创新点：

1. 驱动机制创新：用四组蛇形形状记忆合金作驱动单元，摒弃传统电机或振动马达，实现独立与协同驱动模式，能精确控制产生复杂触觉感受。

2. 系统功能创新：基于蛇形SMA多种驱动组合，装置可实现11种独特动作，呈现丰富细腻触觉体验，增强对虚拟物体表面纹理和交互力的模拟能力。

3. 结构与形态创新：采用三维柔性指套与弹性保护层设计，贴合手指轮廓，轻量化、柔性化设计解决现有设备笨重僵硬、佩戴不适问题，利于长时间沉浸式体验。

4. 应用潜力创新：实验证明该触觉界面可广泛应用于虚拟和现实场景的精细操作，如模拟触碰虚拟物体等，提升交互沉浸感和真实感。

总结：本研究从底层驱动技术（蛇形SMA）到上层触觉表达（11种动作），再到终端穿戴形态（柔性指套）实现体系化突破，将高性能触觉反馈与极致佩戴舒适性结合，为下一代AR/VR人机交互设备发展提供新方向和关键技术支撑。

研究背景

触觉接口通过手部或指尖皮肤反馈提供多种触觉感受，是 AR、VR 系统发展核心技术之一，有望用于手术机器人操作、康复治疗、军事训练、娱乐等领域，还可增强感官感知、辅助感官受损人群等。

传递皮肤触觉的接口常用致动器或换能器模拟触觉反馈，现有基于多种刺激的触觉反馈方法，但多依赖刚性笨重设备或复杂有线连接，影响穿戴舒适性与活动灵活性。柔性电子技术融合贴合人体的材料与设计，构建出更符合人体特性、响应灵敏的触觉接口。这类设备采用柔性材料，能提供逼真触觉反馈，贴合肢体且不限制运动，如搭载流体致动器的柔性机器人手套、基于皮肤贴附式致动器的无线穿戴设备等。

近年来，穿戴式触觉接口技术多以手指为核心感知受体，主要通过皮肤集成设备和穿戴式接口实现。手部和手指触觉设备多采用手套式设计，手指精密感知能力对虚实融合至关重要。产生皮肤拉伸感的手指触觉接口可增强方向和力的感知能力，但现有单指触觉接口依赖复杂笨重机构，可能干扰手部自然动作，亟需开发新型高性能手指触觉接口。

多数手指穿戴式触觉接口通过压缩和振动组合提供触觉反馈，致动模式有限，需拓展致动方向和模式以丰富感官体验。近期报道的电磁式触觉设备具备类皮肤特性，但易受外部磁场干扰，设计导致无法独立激活所有自由度，需更精密控制系统。

本文报道的柔性、轻质、可皮肤贴附的无线触觉接口，基于蛇形结构形状记忆合金（SMA）致动器，可提供多种皮肤反馈。该设备由四个 SMA 致动器组成，控制触觉探针运动，SMA 通过电刺激激活，室温下环境冷却恢复。致动器以两对拮抗方式排列，实现触觉探针多种运动，传递触觉反馈。该系统可实现多种运动，同时激活可施加轻微法向力，触觉探针保障用户安全与舒适度，设备配套电子设备紧凑、可穿戴且完全无线。

与其他手指穿戴式触觉接口相比，该设备提供更丰富触觉感受，可实现 11 种不同模式触觉反馈。本文展示了其在 VR/AR 应用中的概念验证，验证了其对虚拟物体的触觉交互感知能力，多模式触觉反馈功能可增强用户感知，还具有物体检测和定位潜力，能为视觉障碍人群提供方向提示。

研究流程

实验方法

SSSA制备

选厚度 0.1 毫米、相变温度约 50℃、材质镍钛诺的 SMA 片（Nexmetal 公司），用紫外激光微加工系统（LPKF Protolaser U3）设计加工致动器图案，优化振幅、线宽、夹角等设计变量。SSSA 中部为直径 1 毫米圆形基底，末端有方形电极区，预留孔穿导线后用银环氧树脂固定，中心区域制触觉探针结构。

触觉接口组装

用立体光刻 3D 打印机（Asiga Pico2 HD）3D 打印柔性指套帽和软质指套，将 SSSA 沿指套帽曲率拉伸定位后用胶粘剂固定，软质指套容纳集成 SSSA 的指套帽。该接口全柔性，适配不同手指，握持物体能传递方向信息。

热性能表征

用红外热像仪（FLIR Systems AX5）获取 SMA 致动器热成像图，将 SSSA 装在 3D 打印导向结构上，距致动器约 10 厘米处捕获热分布，用 FLIR Thermal Studio 分析；用 K 型热电偶测致动器运行周期皮肤温度变化，数据由 Arduino 控制器记录分析。

SMA 致动器动态性能分析

固定单个 SSSA，施加不同重物拉伸，用光学相机和 Kinovea 软件测位移；施加电流驱动恢复，记录恢复距离并算功。用六轴力/扭矩传感器分析四个蛇形结构协同运动产生的力，3D 打印壳体结构固定传感器和致动器，打印销钉结构传递力，实时记录分析力数据。用光学相机和视频分析软件研究运动规律。

人体主观感知测试

选 8 名受试者（6 男 2 女，20 - 40 岁）测试 11 种致动模式，每种模式随机呈现，重复测试 5 次。3D 打印手指外罩适配不同手指，实验前受试者练习熟悉运行方式，用混淆矩阵分析识别率，研究获卡内基梅隆大学机构审查委员会批准。

电子控制系统设计

电子控制系统含七个核心模块，电源调节模块稳定电池输出电压，控制晶体管矩阵管理致动器运行，系统通过本地无线网络通信控制。

WiFi 通信

以 ESP32 WROOM 为核心的 WiFi 模块支持双模通信，实现 SMA 致动器系统与控制计算机或 VR 设备无线连接，管理 PWM 控制信号，连接网络后无缝集成和远程操作，采用辅助电路设计，可通过 Arduino 编程，为触觉设备提供稳定控制。

VR 中的触觉接口应用

用 Meta Quest 3 头显验证无线手指触觉接口在 VR 环境应用，用 Unity 3 开发虚拟环境，无线触觉接口戴在手指，控制系统固定手臂，通过 WiFi 实现实时通信。接触虚拟物体时发送指令触发 SMA 致动器产生力实现触觉反馈，致动参数模拟真实触觉。额外演示中用户可完成多种手势操作。

画作对齐应用

用户设定目标位置，网络摄像头捕获画面，程序检测画作上角计算调整量，向触觉设备发指令。系统用 OpenCV 图像处理，结合决策算法和 GUI 实现高效精确画作对齐。

物体检测应用

系统用 YOLOv5 算法实时识别物体，用户语音指定目标，手部姿态估计辅助指向，将手部运动转化为控制指令实现精准引导。语音技术提升交互体验，实时数据记录分析确保响应迅速。

结果解析

皮肤穿戴式SMA触觉界面

SSSA 表征

皮肤穿戴式SMA手指触觉界面

VR中手指安装的触觉界面的部署

用于现实世界应用中日常活动的触觉界面

视障人士目标检测应用

研究结论

本文报道了一种基于柔性形状记忆合金（SMA）致动器的穿戴式触觉接口，融合多种力反馈，减少对笨重外部硬件依赖，丰富触觉感知维度。设备将四个SMA蛇形结构集成于柔性轻质3D打印封装体，贴附手指皮肤，能提供11种多方向触觉感受，轻量化等设计提升舒适度，拓展在VR/AR及日常生活的适用性。

应用演示验证其前景：VR中交互可获逼真触觉反馈；现实场景能实现物体检测等导航任务，对辅助视觉障碍人群意义重大。

与语音指令等替代方案比，该SMA手指触觉接口优势明显：在听觉反馈干扰强或不可行时，可提供隐蔽私密反馈；避免嘈杂环境感官过载，支持多任务处理，克服语音指令的认知延迟和潜在语言障碍。

该设备存在潜在局限，即SMA工作温度可能产生与虚拟空间位移感知冲突的温度反馈。为此提出两种方案：一是在多模式反馈系统中集成独立热管理系统辅助SMA致动；二是将温度变化转化为额外反馈机制，在安全温度范围精确控温，提供双重反馈增强沉浸感，未来将优化复合反馈模式。

在多根手指集成该接口并结合无线物联网平台，可构建高度穿戴化、简易化系统，提供细腻触觉反馈。采用快速原型制造技术确保系统可扩展性。

这些特性不仅能提升虚拟环境用户体验，还能为日常生活带来价值，助力辅助技术等领域发展。此外，蛇形SMA致动器设计及柔性材料集成方案有望广泛应用于其他穿戴式人机接口和柔性机器人领域。

技术来源：https://doi.org/10.1038/s41928-025-01443-w