【儀表網 研發快訊】11月7日，大連理工大學力學與航空航天學院、工業裝備結構分析優化與CAE軟件全國重點實驗室解兆謙教授(共同通訊作者)與美國西北大學John A.Rogers教授課題組、黃永剛教授課題組及西湖大學姜漢卿教授課題組合作，在《自然》(Nature)上發表了題為“基于生物彈性狀態恢復的觸覺感官替代”(Bioelastic state recovery for haptic sensory substitution)的研究論文。這是解兆謙教授繼2022年作為主要作者在《科學》(Science)發表“外周神經可逆傳導阻滯的柔軟且生物可吸收冷卻器”(Soft,bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves)一文后取得的又一項重要成果。
該研究發明了一種基于生物彈性狀態恢復的無線、低功耗、多刺激模式觸覺皮膚電子器件，通過力-電-磁控制的雙穩態及壓扭耦合結構力學設計，可實現對皮膚不同深度觸覺機械感受器的動態和靜態、法向力和剪切力的多模式激勵。該可編程多模式觸覺激勵的皮膚電子器件在視覺、平衡感和觸覺感官替代中存在廣闊的應用前景。
人體皮膚中多樣的機械觸覺感受器能感知并傳遞豐富的觸覺信息。在社交媒體、游戲、娛樂及生物醫學康復治療中，快速可編程的觸覺激勵器應用廣泛且潛力巨大，能有效替代或增強人體感知能力。然而，現有觸覺激勵器功耗高、模式單一，僅能激活皮膚中單一類型的機械觸覺感受器，且多為有線控制，限制了使用的便捷性和應用的廣泛性。為充分挖掘觸覺界面的應用潛力，需要皮膚中多類型機械感受器的協同參與，以實現多感官互動，這對可穿戴觸覺激勵/感官替代器件的開發提出了新的挑戰。
圖1用于多感官替代的無線、低功耗、多刺激模式觸覺皮膚電子器件
針對上述業界廣泛關注的挑戰性難題，該文創新性設計了一種基于生物彈性恢復的無線、可編程、低功耗且具備多刺激模式的觸覺皮膚電子器件(見圖1)。該器件憑借其獨特的力-電-磁控制雙穩態結構，能夠在瞬態微電流的作用下，于壓縮與放松兩種狀態間實現快速且精準的切換，實現皮膚不同層面的靜態與動態的激勵(見圖2)。同時，器件集成的壓扭力學結構，結合先進的Kirigami設計，巧妙地實現了對皮膚剪切力與法向力的耦合作用，極大地豐富了觸覺激勵的多樣性和精準度(見圖2)，為用戶帶來了更為真實、細膩的觸感體驗。此外，該器件采用了輕質的柔性延展力學結構設計，使得整體輕薄且易于穿戴，完美實現了與皮膚的無縫保形貼合，提升了用戶的舒適度，確保了器件在長時間使用過程中的穩定性和可靠性。最為重要的是，該器件集成了先進的無線控制電路系統，能夠根據前方障礙物、使用者身體姿勢及步態等實時信息，智能地調整激勵模式。這種智能化的設計使得器件能夠為用戶提供更為個性化、精準且實時的觸覺反饋，從而在視覺、平衡感和觸覺感官替代等領域展現出廣闊的應用前景。
圖2力-電-磁控制的雙穩態及壓扭耦合力學結構設計
圖3感官替代人體測試
經過人體測試實驗(見圖3)，確切地證明了以下幾點：首先，通過智能手機的LiDAR技術感知前方障礙物，并與觸覺皮膚電子器件協同工作，能夠為視力障礙者提供精確且可靠的導航指引(見圖3f)。其次，利用智能手機內置的慣性測量單元(IMU)實時監測用戶的身體姿勢變化，并與觸覺皮膚電子器件相結合，可以為用藥后等平衡感受損的患者提供平衡感官替代方案(見圖3g)。最后，通過IMU精準追蹤腳步的方向以及與地面的相對角度，配合觸覺皮膚電子器件，可以輔助糖尿病腳部感官缺失的患者調整步態，有效預防跌倒，從而實現對其腳部感官功能的精準替代(見圖3h)。
近年來，在郭旭院士的領導下，大連理工大學力學與航空航天學院積極開展力學與柔性電子技術的交叉融合研究，取得了一系列創新成果。解兆謙教授于2020年加入郭旭院士團隊，在學校及學院的大力支持下，現已成功建立起設施完善、功能齊全的柔性電子器件制備與測試實驗室，并不斷產出高水平成果。
解兆謙教授先后入選國家級青年人才、遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才、遼寧省優秀科技工作者等。在柔性電子力學及其應用領域，以第一/通訊作者(含共同)在Nature(2篇)、Science(2篇)、Nature或Science子刊(16篇)、JMPS(2篇)等期刊發表論文50余篇。
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