Nature Electronics 基于形状记忆合金的柔性多模态触觉指套

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触觉作为人类与物理世界交互最直接、最细腻的方式，是构建深度沉浸式人机交互、实现虚拟与现实无缝融合的关键一环。它不仅赋予了数字世界真实的生命力，更有望将日常物体转化为智能触觉终端，拓宽数字孪生与物理体感的边界。卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授团队研发了一款轻便、柔性且可贴合皮肤的指尖触觉设备，该设备利用蛇形结构形状记忆合金（SSSA），实现了包括法向按压、切向滑移和圆周旋转在内的11种触觉模式。设备由柔软的3D打印指套和外壳组成，能够轻松贴合人类手指，可以应用于多种虚拟和现实世界交互活动，相关成果发表于Nature Electronics。

文章题目：A flexible skin-mounted haptic interface for multimodal cutaneous feedback

DOI：10.1038/s41928-025-01443-w

研究背景

人类手指具有复杂的神经系统，能够感知低至 0.1-0.2N的细微力变化和精细的多维力反馈，但现有触觉设备大多面临两大挑战：

硬件冗余：依赖电机和连杆结构，导致设备笨重且干扰自然的肢体运动；
反馈维度缺失：大多数设备仅能提供单一的法向按压或振动反馈，难以模拟现实中复杂的摩擦、揉搓、扭转等触感。

为解决这些难题，需要开发一种既能产生多自由度力触觉，又能像皮肤一样柔韧且共形贴合的轻量化触觉设备。

整体系统

本文旨在通过一个小型指尖设备（见图2），重建复杂的物理触感，该设备具有以下特性：

皮肤贴合设计：设备直接佩戴在用户指尖，轻薄且不影响手指的灵活性；

驱动核心：系统由四个SSSA组成，它们共同连接并控制中心的触点探针；

反馈多样性：通过精确控制SSSA的收缩，探针可在指尖切平面内实现切向、对角线及旋转的摩擦运动，并能产生垂直于皮肤的法向挤压感；
全场景应用：该设备不仅能增强VR环境下的真实物体感，还能在现实世界中提供方位指引、辅助导航和目标定位。

图2 皮肤贴附型形状记忆合金指尖触觉设备

核心技术

研究团队选择了镍钛合金（Nitinol）作为驱动材料，其机械能量密度远高于传统致动器（性能表征见图3）。

蛇形微加工：利用紫外激光微加工技术将形状记忆合金（SMA）片材刻画成蛇形纹路；这种设计使SMA在收缩时能产生巨大的应变和力输出，且在多次循环后不会发生永久变形；

拮抗式致动：四个SSSA呈对向排列，当一侧受热收缩时，对侧被拉伸产生抗力；由于SMA的升降温速度取决于其受到驱动电流的大小和时长，增加这种平衡机制可以帮助SSSA恢复初始状态，确保了探针位移的精确可控；（见视频1）

能量效率：通过优化线宽、振幅等参数，研究团队在0.8A的电流下实现了约0.5N的稳定力输出，足以达到人体感知的物理阈值。

图3 SSSA性能表征

视频1 驱动频率提升措施

触觉模式解析

通过对SSSA的激活位置、数量以及顺序进行设定，该设备能够实现11种运动模式：

切向模式：通电激活单个SSSA，带动探针沿x、y单轴平移（4种运动）；

对角模式：同时激活相邻的两个SSSA，产生对角合力完成平移，对角方向上产生的力大致为切向的根号2倍（4种运动）；

旋转模式：按顺序依次激活SSSA，产生圆周路径运动（2种运动）；

法向按压模式：同时激活四个SSSA，此时探针垂直压向指尖（1种运动）；

全模式演示见图4和视频2。

图4 各触觉模式中SSSA的激活方式

用户友好性与应用演示

用户友好性

为了确保长时间佩戴的舒适感与安全性，团队进行了深度优化：

柔性封装：采用3D打印的柔性指套（模量1.7MPa）和弹性保护套（模量1.3MPa）进行组装，这使得设备能够随手指自由折叠、扭转，甚至在使用筷子时仍能维持良好的反馈稳定性。
热安全管理：虽然SMA激活时温度会达到50℃以上，但由于设计了空气间隙与绝缘探针，实测皮肤表面温度仅在29℃至36℃之间，远低于安全阈值。

此外，通过用户主观性测试实验，验证了该指尖触觉接口各模式间的可辨识性和模式输出的可靠性（仅有对角模式评分低于97.5）。

图5 柔性指套可穿戴性展示和用户主观性测试

应用演示

研究团队通过无线WiFi IoT控制系统演示了多项应用场景：

沉浸式VR

在Unity环境中触摸虚拟方块，指套会同步产生相应的多模态触觉反馈，模拟物理接触时受到的阻力。（见图6和视频3）

图6 虚拟现实场景物体交互

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视频3 沉浸式VR演示

真实世界感官辅助

在悬挂画作任务中，系统根据视觉算法计算偏差，通过旋转或平移触觉信号指引用户调整方位。（见图7和视频4）

图7 真实世界日常任务辅助

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视频4 壁画悬挂辅助演示

视障人士辅助导航

配合YOLOv5实时目标检测，将物体相对手部的位置转化为指向性触感，引导视障用户在复杂桌面上准确抓取目标。（见图8和视频5）

图8 视觉障碍用户物体抓取辅助

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视频5 目标物体抓取的辅助导航演示

总结

本研究通过集成SSSA与柔性3D打印封装，在触觉交互领域实现了重要突破：

硬件尺寸：成功将原本笨重的刚性致动系统微缩并柔性化，开发出仅需指尖佩戴的皮肤集成式接口，显著提升了日常使用的便携性与舒适度。

反馈维度：从传统的单一振动维度转变为多轴剪切力、法向挤压及旋转摩擦的组合，为用户提供了多达11种可编程的时空触觉模式。
交互效率：利用拮抗式控制策略和无线IoT平台，实现了高速响应与高准确率交互，证明了设备在VR环境与现实导航中的可靠性。