■ 本报记者 竺佳 林婧

　　一块小小的电子皮肤，可以让我们在视频通话时“触摸”屏幕另一端家人的手臂，让残障人士的假肢机械手臂拥有持握的反馈，或是让游戏玩家可以和游戏角色同步获得被“击中”的感觉……

　　这种超越语音和视频的抚触通信技术正加快走向应用。最新的研究成果来自美国西北大学约翰·罗杰斯（John A. Rogers）团队与国际著名固体力学家、中国科学院外籍院士黄永刚团队，他们发明了一种小型触觉装置，能向皮肤施加任意方向的力，从而让触觉通信实现复杂的复合触感，为虚拟现实、无障碍辅助和远程交互等领域开辟了全新的可能性。

　　日前，黄永刚来到宁波东方理工大学，这位行走在固体力学与柔性电子前沿的科学家以《破壁虚拟与现实的最后一道屏障》为题，向师生们展示了这项研究从原理到应用的全貌。

　　从“单声道”到“四重奏”

　　电话让我们听见千里之外的声音，视频让我们看见万里之外的面容——听觉也可以数字化，扬声器里的声波就能传递声音；视觉可以数字化，屏幕上的像素点就能构成图像。可隔着屏幕，我们依然握不住对方的手，也感受不到真实的拥抱。

　　触觉，是人类最古老的感官，也是最后一道尚未被数字“驯服”的边界。

　　长期以来，触觉反馈技术大多停留在“嗡嗡震动”的层面。手机来电时的震动、游戏手柄里的马达，本质上都是同一套逻辑：用一种频率的抖动，告诉身体“有信号来了”。

　　但人的触觉感知，远比这复杂。

　　2021年诺贝尔生理学或医学奖授予了戴维·朱利叶斯和阿德姆·帕塔普蒂安，表彰他们在“温度和触觉感受器”方面的发现。人类皮肤中存在四种不同类型的机械感受器——慢适应和快适应各两种。慢适应感受器对静态压力和剪切力敏感，快适应感受器则对低频率和高频率的振动做出反应。我们之所以能摸出丝绸的光滑、砂纸的粗糙、按键的段落感，正是这四类感受器协同工作的结果。

　　然而，市面上几乎所有触觉设备，都只能激活其中的一种——通常是快适应感受器。换言之，它们只模拟了触觉的“一个声道”。

　　去年3月，美国西北大学约翰·罗杰斯院士团队与黄永刚院士团队在《科学》（Science）杂志上发表了一项研究成果，展示了一种被称为“全运动自由度执行器”的小型触觉装置。它只有指尖大小，却能向皮肤施加任意方向的力——推、拉、扭转、滑动，随心所欲。

　　这项技术的核心，是一组嵌套式的电磁线圈和一块微型永磁体。通电线圈在磁场中受到的作用力——本质上来自洛伦兹力，也就是磁场对运动电荷的作用力。但巧妙之处在于，研究团队将三个线圈以“嵌套三线圈”的方式组装，分别控制X方向、Y方向的剪切力以及Z方向的压力。通入直流电，可以产生静态的压力或剪切力；通入交流电，则能产生不同频率的振动。压力、剪切、低频振动、高频振动四种触觉模态，全部被一个设备包揽。触觉的“四重奏”，第一次有了完整的“乐队”。

　　“几乎所有的触觉执行器都只是在‘戳’皮肤。”黄永刚说，“但皮肤能感知的触觉远比这丰富。我们制造了一个微型执行器，可以向任何方向、任何组合方向‘推’皮肤。有了它，我们可以用完全可编程的方式来精细控制复杂的触觉感受。”

　　一次通电，长久“待机”

　　触觉设备要贴在皮肤上工作，功耗是一道绕不过去的坎。

　　传统执行器想维持一个状态，电流就得一直通着，电也就一直耗着。这对需要长时间佩戴的设备来说，无疑是个硬伤。

　　那能不能进一步降低功耗呢？为此，团队在另一篇发表于《自然》（Nature 2024）杂志的论文中提出了“双稳态”设计，巧妙地解决了这个问题。

　　所谓“双稳态”，是指设备有两个稳定的状态——松弛态，也就是不触摸时的状态；压缩态，也就是触摸时的状态。它的妙处在于：设备无论处于哪个状态，都不需要能量输入来维持；只有在从松弛态切换到压缩态或从压缩态切换回松弛态的那一瞬间，才需要消耗一点点能量。

　　这有点像按压式台灯：按下去亮，再按一下灭，但灯亮着或灭着的时候，不需要一直按着开关。不同的是，台灯亮着时还在耗电，而执行器只有状态切换时才消耗能量。

　　具体来说，执行器内部有一个永磁体，上方是一层磁化薄膜，下方是一块软磁体。当永磁体被上方薄膜吸引时，设备处于“松弛”态；被下方软磁体吸引时，则进入“压缩”态，对皮肤施加压力。两种吸引力都足够大，能把永磁体牢牢“锁”在各自位置上，不靠电流，也不靠外力。更妙的是，下方软磁体的吸引力比顶杆自身的重力大一个数量级，足以克服皮肤的恢复力——这意味着，即便皮肤有弹性，设备也能稳稳地“压”住。

　　怎么切换？给线圈通一下电就行。通负向电流，线圈产生的磁场把永磁体往下拉，进入压缩态；通正向电流，磁场反转，把永磁体往上推，回到松弛态。整个过程，消耗的能量只有约58毫焦——大概相当于点亮一颗LED灯珠一瞬间所需要的能量。

　　别小看这个数字。这意味着设备贴上皮肤后，可以长时间保持一个状态，不需要电池持续供电。只有在需要改变触觉反馈的那一瞬间，它才“咔哒”一下，完成切换。对于需要长时间佩戴的触觉设备来说，这几乎是从“一直开着水龙头”到“用的时候才拧一下”的转变。

　　从“一直耗电”到“按一下才耗电”，双稳态设计让触觉设备向真正的可穿戴又近了一步。

　　指尖上的新世界

　　有了这样一个“指尖力场”后，能做什么？黄永刚在讲座中向我们展示了几个让人眼前一亮的方向。

　　第一个是盲人导航系统。在实验中，志愿者蒙上双眼，面前桌面上散落着瓶子和饼干。手机摄像头与激光雷达实时识别志愿者手部与目标物体的三维位置，通过蓝牙指挥指尖的执行器：剪切力指引前后左右，压力指引向下，振动指引向上——当所有信号消失，意味着手已到达目标正上方，可以抓取了。志愿者据此合拢手指，成功拿到物品。这套系统用触觉为视障人士绘制出一张“力场地图”，帮助他们在看不见的情况下完成“伸手—定位—抓取”这一连串动作。

　　第二个是纹理触感复现。研究人员用仿生指尖在六种不同表面（四种织物、两种金属）上滑动，同步记录下滑动产生的剪切力和振动频谱。之后，让志愿者佩戴执行器，在看不见真实纹理的情况下，仅凭指尖传来的力与震动去辨认——准确率高达96%。这意味着未来在线购物时，消费者或许能“摸”到屏幕上某件衣服的质感。

　　第三个方向更富人文温度——让听障人士“感受”音乐。团队将不同乐器的声波特征映射为振动频率和力向变化：小提琴的悠扬化为轻柔的剪切摆动，鼓点的震撼变成短促的压力冲击。触觉，成为声音的替代语言。

　　讲座尾声，屏幕上出现《头号玩家》的海报。黄永刚展望未来，这项技术可以帮助视障出行，让网购“摸”到质感，为远程医疗提供触觉反馈，甚至让听障者通过皮肤“感受”音乐。

　　据介绍，目前已有不少机构与黄永刚团队接洽，希望将这项技术投入实际应用。或许用不了多久，我们就能在视频通话里真正“握”住亲人的手，在虚拟世界里“摸”到一件衣服的质地，在千里之外“拍”一下朋友的肩膀。