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澳门大学钟俊文课题组 AFM：透气式振动触觉驱动器

时间：2022-12-20 来源：浏览：

澳门大学钟俊文课题组 AFM：透气式振动触觉驱动器

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#驱动器 1 个

#触觉反馈 1 个

#透气性 1 个

#人机交互 3 个

#无线控制 1 个

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振动触觉驱动器是一类在外部场（电场，磁场，光照，热，气压，液体）作用下，其会产生机械力（低频）或机械振动（高频）的器件。与触觉传感器一起，振动触觉驱动器广泛应用于人机交互领域，比如虚拟现实，远程控制，假肢控制等。然而，现有的关于振动触觉驱动器的研究主要集中于提高其输出的机械力或振动以及稳定性，并没有考虑可穿戴设备的另一个重要特性——透气性。因此，开发一种柔性、透气、具有稳定可观的输出性能的振动触觉驱动器对于拓宽可穿戴设备在人机交互领域的应用十分重要。

近日，澳门大学科技学院钟俊文教授团队在 Advanced Functional Materials (IF:19.9) 上发表了题为 “ Air permeable vibrotactile actuators for wearable wireless haptics ” 的论文。本论文将聚四氟乙烯 / 聚丙烯纤维与织物电极进行结合，构建了一种透气性与普通衣服接近（ 108 L/m ² /s ）的振动触觉驱动器。同时，该透气式振动触觉驱动器具有高输出灵敏度（ 0.2 mV/N ），优秀的机械耐久性与稳定性（ 1100 万次循环测试），低预应力要求（ 10 mN ）。在不同的电压信号驱动下，该透气式振动触觉驱动器可以产生不同的振动模式，并可以被人类皮肤感知。以此透气式振动触觉驱动器为基础，搭建了一套可穿戴无线触觉反馈系统，主要包括触觉传感器手套和驱动器手套。该系统可以实时的传递触觉信息，比如英文字母和常用标点符号，并以极高的准确率（ 97.8% ）被识别。值得注意的是，该透气式振动触觉驱动器具有成本低、透气性好以及稳定性高的特点，这使得其有巨大的潜力进行大规模生产，可以集成在衣服的不同部位，实现大面积全身式触觉反馈应用。

图 1. 用于可穿戴无线触觉的透气式振动触觉驱动器的设计。（ A ）可穿戴无线触觉反馈系统的示意图，包括具有传感器阵列和编码电路的传感器手套，以及具有驱动器阵列和解码电路的驱动器手套。（ B ）透气式振动触觉驱动器结构图。（ C ）透气式振动触觉驱动器实物图。（ D ）透过透气式振动触觉驱动器吹蜡烛。（ E ）透气式振动触觉驱动器和普通衣物的透气性对比。

图 2. 透气式振动触觉驱动器的工作原理。（ A ）方波驱动下的透气式振动触觉驱动器的振动状态。（ B ）驱动器与人体皮肤交互的系统等效模型。（ C ）典型的驱动电压（方波，峰峰值为 300 V ，频率为 260 Hz ）和相应的输出力。（ D ）聚四氟乙烯 / 聚丙烯纤维的横截面电镜图。（ E ）不同极化方式下聚四氟乙烯 / 聚丙烯纤维的电荷分布。（ F ）聚四氟乙烯 / 聚丙烯纤维的热刺激放电分析。（ G ）聚四氟乙烯 / 聚丙烯纤维的表面电位衰减图。

图 3. 透气式振动触觉驱动器的输出性能。（ A ）志愿者试验—电极结构对感觉强度的影响。（ B ）志愿者试验—预应力对感觉强度的影响。（ C ）不同间隔件对应的输出力。（ D ）志愿者试验—驱动器的阈值电压。（ E ）输出力与表面电位的关系。（ F ）输出力与驱动电压幅值的关系。（ G ）输出力与驱动电压频率的关系。（ H ）与其他工作进行对比。（ I ）输出力稳定性测试（连续振动 12 小时）。

图 4. 透气式振动触觉驱动器的可调振动模式。（ A ）振动模式实验示意图。（ B-G ）六个驱动信号和相应的输出力。（ H ）三种不同驱动电压下不同波形的识别准确率。

图 5. 可穿戴无线触觉反馈系统。（ A ）两名志愿者分别左手戴着传感器手套，右手戴着驱动器手套。（ B ）传感器手套实物图。（ C ）驱动器手套实物图。（ D ）传感器手套和执行器手套之间的响应时间与距离的关系。（ E ） 32 个字符的识别准确率。（ F ）无线传输“ I Love UM ”时，传感器手套的手势与驱动器手套上相应的标准化输出力信号。（ G ）大面积触觉反馈演示。五个大面积驱动器（每个驱动器为 10 × 10 cm ² ）安装在人体的不同部位（胸部、腹部、右臂、左臂和背部）。每个驱动器由安装在传感器手套上关节处的传感器控制。

作者团队：

论文第一作者为澳门大学科技学院博士后研究员李肇阳，论文通讯作者为澳门大学科技学院钟俊文助理教授和美国加州大学伯克利分校机械工程系林立伟教授。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211146

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