作为最基本的感官之一，触觉赋予了人类感知和体验周围世间万物的能力，日常生活中的各种操作与交互动作、人与人之间的情感交流都离不开触觉的深度参与。在物体属性感知方面，通过触摸人类可以轻易的辨识不同织物的纹理图案、分辨不同砂纸表面粗糙度、感知不同床垫的柔软度、区分不同饮品的温度等。在物体交互操作方面，从医生的精细手术操作、艺术家精美的微雕创作、工程师零件的加工装配到生活中餐具的抓握、智能手机的交互使用等，触觉都发挥着不可替代的作用。在情感交流方面，亲子间的亲拍抚摸、恋人之间的亲密接触、朋友之间的相拥、陌生人之间的握手都是通过触觉传递着不同的情感信息。与人类非凡的触觉感知能力相比，触觉呈现技术所提供的触觉体验不论在数量上还是质量上都表现不佳，如何为用户模拟、再现丰富的触觉体验是人机交互领域的一个重要的研究方向。

      纹理呈现技术通过感官替代或者形貌特征再现的方式，为用户提供不同物体的纹理触摸体验，极大地提升触觉交互体验的真实感与丰富性，有望广泛应用于视障人群交流、智能汽车座舱、工业辅助设计、电子商务、虚拟现实、亲子交互、遥操作等领域。然而，这些纹理呈现装置仅具备驱动功能，缺乏感知能力。在交互过程中，纹理呈现装置无法识别用户的交互位置和接触压力，难以根据用户交互信息对驱动器进行实时调控。亟需研发一种具有触觉感知能力的高分辨率纹理呈现装置，使其像人类皮肤一样智能，可以建立触觉感知与触觉驱动间的映射关系，依靠感知功能实现触觉呈现信息的闭环调控，实现多人或者用户与虚拟物体间的双向触觉交互。

      近日，北京航空航天大学王党校教授领导的团队在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics期刊上发表了以“Electromagnetic-actuated High-resolution Tactile Device with Actuating and Sensing Capabilities”为题的论文，报道了一种3mm分辨率的驱动感知一体化纹理呈现装置。电磁驱动器与压阻式传感器交错分布，共同镶嵌在上下膜支架内部形成网状三明治结构，在避免驱动器和传感器相互干扰的同时，缩短了驱动器与传感器之间的间距，满足了驱动器和传感器在指尖狭窄接触面内空间配准的需求，确保了驱动刺激与传感信号的同步性。

图1 驱动感知一体化纹理呈现装置的工作原理

      驱动感知一体化纹理呈现装置工作原理如图1所示，在未接触状态下（无外部载荷），多孔传感材料的空隙保持恒定状态，传感器阵列的电阻值保持不变，纹理呈现装置无传感信号输出（图1c）。在手指压力下，多孔传感材料的空隙变小甚至孔壁贴合在一起，形成了新的电流传导路径，大大降低了传感器阵列的电阻阻值（图1d）。通过控制系统的采样电路，传感器阵列的阻值被转换为控制系统的电压值。随着手指施加压力的增大，传感器阵列的电阻值变小，采样电路输出的电压信号变大（图1f和1g）。进一步，根据自定义的映射关系，将采样电路输出的电压信号转换为驱动系统的激励电流信号，从而控制磁性驱动器的运动（图1h）。当手指从纹理呈现装置表面移开后，多孔传感材料中的空隙恢复到初始大小，传感器阵列的电阻值恢复到初始值，驱动系统的激励电流变为零电流状态，磁性驱动器在柔性薄膜回复力作用下向上运动，凹陷逐渐消失，纹理呈现装置表面恢复到平整状态。

图2 驱动器和传感器的性能评估

      为了确保驱动器和传感器性能的可靠性，研究人员首先测试了驱动器的性能指标，包括磁性驱动器的凹陷深度、响应时间和可重复性，实验结果证实了磁性驱动器的稳定性和可重复性（图2a-2c）。进一步。评估了压阻式传感器的性能指标。研制的压阻式传感器具有良好的灵敏度，在冲击载荷作用下，其响应时间分别为16ms和38ms，可以满足触觉交互的实时动态响应需求，且该传感器具有良好的疲劳特性，可以满足长时间交互应用的需求(图2d-2f)。

图3 驱动感知一体化纹理呈现装置的整体性能评估

      进一步，在人类日常活动中，皮肤的机械感受器不仅可以感知接触压力等交互信息，还可以实现肢体位置和自身运动等本体感知。类似于人体的机械感受器，本章提出的驱动感知一体化纹理呈现装置的压阻式传感器具备同样的功能，其不仅可以用于外部载荷检测，还可以感知磁性驱动器的运动。为了表征这一特性，在不同外部压力下，分别测量了磁性驱动器以不同周期运动时压阻式传感器的阻值变化（图3a-3f）。此外，进一步探究了基于闭环控制系统实现纹理呈现装置变频调控的可行性。随着外部压力增大，电磁线圈的激励电流频率增加，压力-频率曲线呈指数型分布，证明了纹理呈现装置控制系统的可靠性。在未来应用中，可以通过施加不同的压力来实现磁性驱动器的变频控制，从而为用户提供不同的振动刺激。

图4 驱动感知一体化纹理呈现装置潜在应用交互场景

      在驱动感知一体化纹理呈现装置性能定量评估实验基础上，研究人员提出了四种具有代表性的应用场景（图4）：纹理双向呈现、振动编解码、游戏娱乐和智能汽车座舱，通过多人或者用户与虚拟物体间的双向触觉交互，深入探究纹理呈现装置及其不同的控制模式的有效性，为后续设备的改进和完善提供依据。

      这项研究涵盖了多个研究领域，涉及机械、电子、材料等多方面的交叉。郭园博士、商超博士为论文的共同第一作者，北航王党校教授、深圳大学彭争春教授为论文的通讯作者。北航为研究论文的第一/通讯单位。本项目得到了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目等项目的支持。