超薄指尖传感器，可用于外科微创手术

图中的人，蒙着眼睛，只需要用手指触摸，就可以辨别出纸上的字母。实现这个能力，用的是一个重量仅为1.3克的设备。而负责给指尖传导信号的硅胶薄膜，只有18微米厚。这个厚度，薄于一张普通A4纸厚度（104微米）的1/5，也远远小于人体表皮的厚度（数十到上千微米）。

这是中国科学家冀晓斌领衔开发出的新型设备，只用1.3克的重量，能够产生1Hz～500Hz的震动信号，给手指传递不同的触感。实现“盲人摸字”的原理很简单，用发光二极管作为传感器，感知纸面反光的强度，将信号传递给一个微型控制器。当触碰到黑色的区域，设备就会自动开启，将异样的触觉传递给指尖。人通过触觉反馈，就能识别出图案。

这个设备的名字叫做feel-through DEA（下称FT-DEA），“盲人摸字”的试验，只是对其功能的一个验证。更重要的是，这种轻巧的触觉传感器，提供了一种新型的人机交互界面，具有高灵敏度和宽信号频域，如果跟不同的VR或AR设备结合，就可以开发出更逼真的虚拟现实或增强现实体验。

冀晓斌介绍，“feel-through”表明了这款新型穿戴装置的优势。由于其轻薄的特性，18微米的薄膜既能够传递给手指额外的触觉信号，同时又保持了人手指日常的感觉和活动功能。“戴上这个装置，继续敲键盘，喝咖啡，或者是触摸其它物品，都不会受影响。”

冀晓斌于2013年和2015年先后在法国获得学士与硕士学位，2019年在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）获得微系统与微电子博士学位，回国后，成为河北工业大学校聘教授，属于该校李铁军教授团队成员，研究方向是小型智能软体机器人系统与可穿戴设备。

他表示，自己原本在EPFL做博士后，12月回国，正好赶上疫情，就辞去了在瑞士的工作，决定在国内高校任职。在几个选项中，他被河北工业大学所提供的资源和平台所打动，最终选择了这里，目前他正在筹备自己的实验室。

a.指尖上的Feel-through DEA触觉设备;b.佩戴FT-DEA弹钢琴

一提到VR和AR设备，标志性的设备就是头戴眼镜，它能够呈现出栩栩如生的画面和声音。但这只是虚拟体验的一部分，更困难的是提供虚拟触觉。

Valve Index Vr设备

目前，实现与虚拟对象的互动，需要使用手持的电机设备，它们不仅笨重，也只能传导非常粗糙的触感，使用的时候，需要以特定的姿势持握，对人的动作限制也很大。也就是说，现有的手持设备，会阻止人手原有的力学感受功能，穿戴上以后，手指日常的功能就会受到影响。

要实现科幻电影里身临其境的VR和AR，必须要有更轻便的触觉传感装置。冀晓斌和同事们的工作，就是在这一思路下诞生的。

能够做出如此轻便的设备，关键的技术在于以极低的电压输出高功率密度，从而将人类能够识别的信号送达到指尖。虽然硅胶薄膜只有18微米厚，但是在输出信号为580Hz时，功率密度能够大于10W/m。

低驱动电压，使得FT-DEA的控制与供能设备可以做得足够小，来实现无线工作，这满足了穿戴设备的需求。

低电压的技术，是冀晓斌在博士课题中实现的突破。他在EPFL做博士期间，师从软体传感器实验室（EPFL-LMTS）主任Herbert Shea教授，完成了“低电压高速率介电型弹性体驱动器”的课题。高驱动电压是20多年来困扰DEA领域的一个基本问题。

所谓DEA，是介电型弹性体驱动器的简称。冀晓斌介绍，这是一种电驱动的人工肌肉，可以将电能转化为机械能。

冀晓斌的博士课题成功地将DEA驱动电压降低了一个数量级，并且研发出了前所未有的高性能、低电压DEA。

冀晓斌也针对开发的低电压、高性能DEA设计了新型应用，之前设计的软体机器昆虫，发表于机器人顶尖期刊Science Robotics;此次的FT-DEA则是可穿戴的触觉反馈装置，于2020年10月发表于材料学期刊Advanced Functional Materials上。两篇论文，冀晓斌都是一作。

DEA所使用的硅胶薄膜本身不导电，它双面涂上电极后相当于一个电容器，当充满电之后，两电极间产生的静电力在厚度方向压缩硅胶薄膜，从而让薄膜面积增大产生形变。这一过程把电能转化成了机械能。使用不同频率的控制电信号，可以控制驱动器的运行速率。

冀晓斌形容，“通俗地讲，DEA就是一个软体平行板电容器。”使用聚二甲硅氧烷（PDMS）这一材料当作介电层的性能优势是相关DEA的反应速率快，能够达到毫秒级别。由于PDMS这种材料的粘弹性很小，相比于其它的介电材料（比如VHB）其力学性质对DEA运行速度的影响要小的多。

手指尖端有丰富的感受神经，而以弹性硅胶为材料的DEA能够适应手指的形状并且贴合皮肤。FT-DEA在通电工作时完全静音，因此非常适合作为穿戴于指尖的触觉反馈器。

FT-EDA戴在手指上，在不通电的时候，硅胶薄膜处于预拉伸的状态，会给指尖皮肤一个轻微的压力。当通電之后，静电力产生作用，DEA激活，就会释放预先施加的压力，从而使皮肤产生正方向（纵向）的位移。当使用从1到500Hz不同的驱动频率，薄膜会产生对应不同的位移和拉伸，从而产生不同的触觉反馈信号。

那人类是否能够准确识别出不同的信号类型呢？

d.DEA通过拉伸皮肤来给穿戴者产生触觉反馈信号e.电压开关状态下皮肤以及FT-DEA侧视图

a.使用者對于不同频率信号的反馈强度平均值统计

b.使用者对6种不同信号的识别混淆矩阵，对角线显示为正确率

研究寻找了11个不同性别、年龄的使用者，通过两个测试来收集他们的反馈。第一个测试，研究人员用不同频率的信号进行测试，让使用者评判是否能够感知到信号，并按照感觉强度从0（没感觉）到4（感觉很强）给出打分。最终的结果显示，除了关机时的感觉为零，_几乎_其它的频率都可以被感知到，而在5Hz～200Hz的区间，感知程度都保持在2以上。

在第二个测试中，使用者被随机给予6种不同的信号类型：10Hz、200Hz、在10Hz与200Hz间切换、由关闭升为200Hz、由200Hz降为关闭、关闭。通过10分钟的简单学习后，使用者被随机给予不同的信号刺激，并进行辨别，结果显示了73%到97%的辨别正确率。

这两个试验证明，仅仅通过目前指尖单点的装置，已经能够成功传导多种触觉信号。

冀晓斌表示，这仅仅是一个初步验证，证明FT-DEA准确表达触觉信号的可行性，研究中已经展示了10个DEA在手指上形成的一个阵列结构，未来将突破单点的信号模式，使用DEA阵列来模拟局部的手部感觉，或者反馈更为完整的运动路径。

请问FT-DEA的结构是怎样的？

冀晓斌：这是一个多层的结构，两层电极中间夹一个介电弹性体硅胶层，是一个基本的单元。一共有3个单元堆叠起来，总计共有7层，其中有4层电极，3层硅胶层。这样设计的目的是增大它的输出力，单硅胶层厚度是6微米。在这项工作中，我们堆叠了三层，手指尖端的感受很灵敏，如果将来应用于身体其它部位，比如背部，有对输出力的强度有更高的要求，可以通过堆叠更多的厚度来增加输出力，从而使其它部位也能够感受到反馈信号。

FT-DEA的特色是能够在低电压的驱动下，以非常薄的材料实现其性能，这建立在你博士课题的技术突破上，实现低电压驱动的难点在哪里？

冀晓斌：降低DEA驱动电压大致有两种方法，第一，增加介电层的介电常数。第二，降低介电层的薄膜厚度。我们选取的是第二种途径。

当薄膜厚度降低后，对薄膜的质量要求很高。如果薄膜质量不高，比如厚度不均匀，相关DEA性能会受限制。

10个DEA组成的阵列，覆盖在手指上

更加具有挑战性的是，降低介电层厚度后，对DEA的电极要求苛刻。既需要有很好的导电性能来保证DEA快速充放电，又必须具备很好的力学性能来降低对整个薄膜结构的僵化。我们开发了基于Langmuir原理的先进纳米制造工艺来二维组装DEA的可拉升电极。研发出了分子厚度的可拉伸电极来满足这些苛刻要求。

在蒙眼识字的试验中，增加了一个发光二极管，它的作用是什么？

冀晓斌：这个实验中我们做了一个集成的无线控制系统，整体装置只有1.3克，这也是可穿戴设备的要求，不能很重，不会影响正常生活。发光二极管的作用是识别颜色，它能够探测颜色，将收集到的信号传导给微控制器，从而决定FT-DEA是否开启。当探测到黑色的时候，微控制器就会反馈出450伏200赫兹的频控制信号，而在白色的时候是关闭的。使用者通过手指的感受就可以读取黑色的字母。

目前只进行了一个识字试验，FT-DEA还有哪些应用的潜力？

冀晓斌：VR里，可以应用它去触碰一些虚拟的物体。研究中展示了一个戴在手指上的矩阵，假设它可以覆盖整只手，就可以实现感知一些虚拟的图像，或者当手做出一个类似抓握这样的动作时，也可以给予相对应的反馈信号。

当然我们目前只是模拟了表皮上的触觉，如果未来的VR要实现让人感受到一个不存在的事物，比如拿住一支笔，需要完整的信息，包括关节的姿态，还有皮肤的触觉，一个理想的手套是能够完成所有的任务的。这也是将来要突破的工作。

另外在一些需要精细操作的地方，比如一些外科手术、精细组装等，人体本身的精度是有限的，在精细操作的时候容易产生误差，而电子设备能够实现更高的精准度。

比如一些外科微创手术，能够通过它来告知操作者精度的范围，帮助人手实现更好的操作。这能够实现人和机器之间更密切的交互，机器通过触觉反馈给人类信号，比如将一层这样活性的薄膜戴在手上时，就增强了人机交互的维度，同时具有便利性。（摘自美《深科技》） （编辑/诺伊克）