中国科学家设计超薄指尖传感器，可用于外科微创手术

视频中的人，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)的五分之一，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 1 到 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。

他告诉 DeepTech，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。

图 | a. 指尖上的 Feel-through DEA 触觉设备;b. 佩戴 FT-DEA 弹钢琴(来源：论文)

超薄触觉反馈装置，实现新的人机界面

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。

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。

图 | Valve Index VR 设备

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。

图 | 冀晓斌(来源：受访者)

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。

在指尖实现不同类型的信号传导

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。当通电之后，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。

图 | 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。(来源：

那人类是否能够准确识别出不同的信号类型呢?

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 5 到 200 Hz 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。

图 | a. 使用者对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(来源：论文)

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。

图 | 10 个 DEA 组成的阵列，覆盖在手指上。(来源：论文)

专访一作冀晓斌

DeepTech：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。

DeepTech：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。

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。

DeepTech：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。

DeepTech：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。