延迟低于1.55毫秒，韩国ETRI研发远程实时触觉渲染系统

相比于AR/VR这种视觉模拟技术，体感、触觉模拟技术远不够成熟，依然受到体积、延迟、人体工学等方面限制。尽管如此，科研界不断探索多种体感模拟方案，以实现轻薄、灵活的穿戴式设计（比如体感手套）。近期，韩国电子通信研究院（ETRI）就研发了这样一种远程触觉渲染技术，其特点是采用贴合皮肤的柔性设计，可附着在手指尖上，实时远程模拟触觉。它可以和AR/VR手套集成，模拟逼真的物理交互。

我们知道，远程触觉指的是通过远程数据来生成模拟的触觉，并在体感设备上渲染出来。简单来讲，就是从一台设备向另一台设备发送和接收触觉信息。比如，远程触觉手套可以捕捉用户的触觉，将该信息传输给另一个用户，然后在接收器上重新产生相同的感觉。借助这项技术，最终目标是让用户之间能共享复杂且逼真的触觉反馈。

远程触觉的挑战

据了解，远程触觉方案需要使用多个组件，比如传感器、无线数据传输链路、触觉致动器等等。这意味着，远程触觉系统设计复杂、体积大，开发者需要在重量、灵活性、功能性上做权衡。而且远程触觉传感器需要精准检测皮肤表面产生的时空和物理变形，并通过远程数据传输，在其他终端模拟这种变形。

目前，触觉传感器已经达到相当成熟的阶段，灵敏度、空间分辨率、响应速度、低频压力和高频振动、热刺激检测方面足够优秀。然而，重现触觉所需的致动器技术依然受限，很难以高空间分辨率、宽频率范围重现复杂的实时触觉。此外，传感器和执行器设计需要具有灵活性，能贴合皮肤，才可以很好的跟手套形态集成，在使用时不干扰人手的自然运动功能。

市面上有多种驱动触觉反馈的方案，比如电磁性致动器、电活性聚合物（EAP）、形状记忆聚合物（SMP）、气动/液压式软致动器、压电致动器等等。电磁式致动器的优势是位移范围大，但需要配备永磁体、线圈等体积大的元件，难以实现数毫米的高空间分辨率。尽管近年来微型线圈、磁性致动器已经能嵌入硅橡胶材质中，并通过NFC实现无线操作，但由于其像素尺寸为厘米量级，因此很难应用于手指、指尖等狭窄敏感区域。

而EAP、SMP、气动/液压系统等方案虽然具有灵活性、高位移、高输出性能、毫米级高分辨率，但响应速度相对较慢，无法渲染高频振动效果，除非使用高工作电压、大型空气压缩设备，整体设计笨重、不便携，因此也不适合远程触觉场景。

相比之下，压电致动器可以更好的满足远程触觉系统的需求，其优势是操作负担低，时空触觉模式高，易于小型化，频率范围高达10kHz，分辨率高、触觉响应速度快，可以很好的模拟按钮等复杂纹理。相比于常见的压电陶瓷致动器，超薄PZT膜材质更轻薄，柔韧性更好，贴合皮肤，但输出性能不足，难以实现丰富的触觉。

因此，ETRI科研人员结合了两种材质的优势，设计了一种亚毫米级的压电陶瓷多层致动器，其中包含了64层厚度26微米的PZT陶瓷，特点是体积小，具有32个信号通道。

全新的远程触觉方案

为了实现高性能、柔性、舒适的设计，ETRI研发了全新的皮肤远程触觉方案，该方案可戴在用户指尖上，用于实时、远程传输触觉。其采用了双机械式压力传感器阵列（柔性双峰触觉传感器UFB），由快速和慢速自适应机械感受器式设计组成。该双机械式传感器阵列的频率在10Hz到10kHz范围，可记录指尖体验到的静态和动态压力，收集到的触觉信息会被传输到手背上的处理模块，进行放大和计算，最终传输到接收器。

接收器会将触觉数据传输到亚毫米级压电陶瓷致动器阵列，以创建触觉信息。这些致动器可生成1.8毫米高空间分辨率的震动模式，此外致动器阵列以交叉图案（类似于棋盘）集成在柔性底板上，可实现灵活、柔性的手套形态，并且在机械变形期间减少压力。

此外，该方案的延迟低于1.55毫秒，可远程传输逼真的触觉刺激，模拟形状、纹理、振动等体感。

应用场景方面，该方案可用于教育、医疗保健、零售、机器人、制造等可使用虚拟交互的领域，比如远程专家可以感受现场工作人员实操的体感，并进行实时指导，或是远程人员可用它来远程操控机器人，消费者可使用它来进行沉浸式虚拟购物等等。此外，它也可以用于AR/VR场景，通过触觉反馈来丰富沉浸感和准确性。参考：Nature