機(jī)械學(xué)院王黨校教授團(tuán)隊(duì)獲IEEE Transactions on Haptics最佳應(yīng)用論文獎(jiǎng)
北航機(jī)械學(xué)院王黨校教授團(tuán)隊(duì)在高分辨率觸覺顯示技術(shù)領(lǐng)域取得新突破。針對(duì)現(xiàn)有觸覺顯示裝置在呈現(xiàn)復(fù)雜觸覺圖案或精細(xì)紋理方面的局限，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于三維倒金字塔結(jié)構(gòu)微流體網(wǎng)絡(luò)的高空間分辨率觸覺顯示系統(tǒng)。相關(guān)成果以“A Multi-Layer Stacked Microfluidic Tactile Display With High Spatial Resolution”為題發(fā)表在觸覺領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊IEEE Transactions on Haptics (ToH)上，并榮獲該雜志2024 年度“最佳應(yīng)用論文獎(jiǎng)” （IEEE Transactions on Haptics Best Application Paper Award）。該獎(jiǎng)項(xiàng)旨在表彰論文在質(zhì)量、創(chuàng)新性和影響力方面的卓越表現(xiàn)，以及其對(duì)觸覺領(lǐng)域發(fā)展的重大貢獻(xiàn)。北航機(jī)械學(xué)院博士生單博學(xué)為論文第一作者，北航機(jī)械學(xué)院王黨校教授為論文的通訊作者，北航機(jī)械學(xué)院為論文第一完成單位。
圖1 具有高空間分辨率的多層堆疊微流體觸覺顯示器
觸覺是人類最基本的感官之一，它使我們能夠感知并體驗(yàn)周圍的世界。通過觸摸物體表面的三維拓?fù)湫蚊玻藗兛梢酝瓿扇玳喿x盲文、感知布料紋理、欣賞雕塑等一系列觸覺交互任務(wù)。氣動(dòng)觸覺顯示器通過重構(gòu)裝置表面的微觀形貌，模擬真實(shí)世界的紋理特征，從而為用戶提供豐富的觸覺體驗(yàn)?，F(xiàn)有觸覺顯示裝置面臨諸多瓶頸：在狹小空間（指尖）內(nèi)高密度集成氣動(dòng)致動(dòng)器對(duì)流體網(wǎng)絡(luò)布線提出巨大挑戰(zhàn)，限制了觸覺顯示空間分辨率的進(jìn)一步提升；傳統(tǒng)觸覺顯示裝置的剛性結(jié)構(gòu)無(wú)法與彎曲表面共形集成，限制了觸覺顯示技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
針對(duì)以上挑戰(zhàn)，王黨校教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合3D微流體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)多層軟光刻工藝，創(chuàng)新性地提出了一種基于三維倒金字塔流體網(wǎng)絡(luò)的高分辨率觸覺顯示器。不同于傳統(tǒng)的單層流體布線策略，該策略按照“由內(nèi)向外、自下而上”的原則排布流體通道，即將陣列外圍單元的氣路層疊于內(nèi)部單元之上，從而在有限垂直空間中實(shí)現(xiàn)了無(wú)干擾的氣路布局。這一策略有效提升了氣動(dòng)執(zhí)行單元的集成密度，同時(shí)保持了每個(gè)執(zhí)行器的獨(dú)立可控性，為構(gòu)建高分辨率的觸覺紋理顯示系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合該立體微流體布線策略，開發(fā)出一款空間分辨率達(dá)1.25?mm、可匹配指尖感知閾限的柔性微流體觸覺顯示器。該裝置采用多層軟光刻工藝制備，通過多層堆疊實(shí)現(xiàn)了高密度微流體驅(qū)動(dòng)單元的柔性集成，兼具高分辨率、柔性與高擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)，顯著提升了觸覺紋理的顯示精度與場(chǎng)景適應(yīng)性。
研究團(tuán)隊(duì)在不同輸入壓力條件下對(duì)微流體觸覺驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了系統(tǒng)性能評(píng)估，結(jié)果表明該觸覺顯示器能夠在穩(wěn)定變形、高重復(fù)性和快速響應(yīng)等方面實(shí)現(xiàn)魯棒的觸覺反饋性能，滿足復(fù)雜觸覺紋理重建和動(dòng)態(tài)交互需求。最后，研究團(tuán)隊(duì)通過一系列主觀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該觸覺裝置在模擬紋理圖案方面的有效性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包含8種典型觸覺模式，通過5×5驅(qū)動(dòng)器陣列（空間分辨率為1.25 mm）在100 kPa氣壓下動(dòng)態(tài)生成，受試者可以輕松分辨出八種觸覺圖案，準(zhǔn)確率高達(dá) 96%，充分證明了該裝置在高分辨率觸覺圖案呈現(xiàn)中的可行性與實(shí)用價(jià)值。
圖2 不同流體管路走線布局策略的對(duì)比
圖3 高空間分辨率微流體觸覺裝置整體性能評(píng)估
圖4 高空間分辨率微流體觸覺裝置用戶實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖5 IEEE Transactions on Haptics 最佳論文獎(jiǎng)
該研究聚焦于觸覺交互領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛省⑷嵝燥@示設(shè)備的迫切需求，旨在突破傳統(tǒng)觸覺裝置在空間分辨率、集成度和適應(yīng)性等方面存在技術(shù)瓶頸。通過創(chuàng)新性提出三維倒金字塔式立體布線策略，并結(jié)合多層微流體軟光刻工藝，該團(tuán)隊(duì)研究構(gòu)建出一款空間分辨率達(dá)1.25?mm的柔性觸覺紋理顯示器。這一裝置在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器在超高密度下的柔性集成與穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。通過系統(tǒng)評(píng)估與用戶識(shí)別實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該顯示器在模擬真實(shí)紋理信息方面的高保真度與高準(zhǔn)確性，展示了其在虛擬現(xiàn)實(shí)、輔助感知、精細(xì)交互等應(yīng)用場(chǎng)景中的廣闊前景。團(tuán)隊(duì)的研究成果為指尖精細(xì)觸覺呈現(xiàn)的柔性器件提供了全新的技術(shù)范式，具有重要的工程應(yīng)用和技術(shù)推廣價(jià)值。該成果獲得IEEE Transactions on Haptics最佳論文評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)評(píng)價(jià)如下：“Develops a novel 3D microchannel design for a high-resolution fingertip tactile display, demonstrating how finely pneumatic actuators can be integrated into the compact area of the fingertip.” 相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金“支持智能汽車屏幕觸覺反饋的主動(dòng)電子皮膚” （62373021）的資助。
IEEE Transactions on Haptics（簡(jiǎn)稱 ToH）是觸覺與力反饋領(lǐng)域最具影響力的國(guó)際期刊之一，隸屬于 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）旗下核心期刊。ToH 每年出版四期，每期約收錄 8–12 篇 高質(zhì)量論文，內(nèi)容涵蓋觸覺感知、力反饋接口、觸覺建模、感測(cè)與顯示技術(shù)等多個(gè)方向。自 2017 年 起，ToH 每年評(píng)選一篇“最佳應(yīng)用論文”（IEEE Transactions on Haptics Best Application Paper Award），以表彰在實(shí)際應(yīng)用中具有顯著影響力的高水平研究。這是該獎(jiǎng)項(xiàng)首次授予由中國(guó)學(xué)者主導(dǎo)的研究成果，標(biāo)志著中國(guó)學(xué)者在國(guó)際觸覺研究應(yīng)用領(lǐng)域的重要突破與廣泛認(rèn)可。
文章來(lái)源：
B. Shan et al., “A Multi-Layer Stacked Microfluidic Tactile Display with High Spatial Resolution,” in IEEE Transactions on Haptics, vol. 17, no. 4, pp. 546-556, Oct.-Dec. 2024, doi: 10.1109/TOH.2024.3367708.
