香港城大研发无线超薄“电子皮肤” 灵活呈现个人化虚拟触感体验

透过触感提升虚拟体验成为新兴趋势，但市面上的触感装置一般较为笨重、受电线及传输线路等束缚。香港城市大学(香港城大)领导的研究团队最近研发一套无线的电触觉反馈系统“WeTac”，具备可供穿戴于手的超薄及柔软材质，并借由收集用家的个人化触觉感应数据，希望为“元宇宙”带来更传神生动的虚拟触感体验。

新研发的系统于虚拟游戏、运动及技术培训、社交或遥控机器人等方面，具有庞大的应用潜力。香港城大生物医学工程学系副教授于欣格博士带领这次研究，他说：“除了视觉和听觉以外，触觉反馈将进一步提升虚拟实境(virtual reality，VR)之体验。因此，我们致力研发一套更轻薄、更柔软、更紧贴皮肤的无线触感介面，使用家穿戴在手时仍可自由运动，仿如第二层皮肤一样。”

于博士带领研究团队，与香港城大机械工程学系讲座教授李文荣教授、生物医学工程学系副教授王立代博士及其他研究人员，共同研发WeTac —— 这一套紧贴皮肤而灵活的无线虚拟触感系统。这项研究结果已发表于科学期刊《Natural Machine Intelligence》，并成为封面文章，标题为〈Encoding of tactile information in hand via skin-integrated wireless haptic interface〉。

用家可透过“WeTac”这套紧贴皮肤、无线的电触觉反馈系统，于虚拟实境(VR)中感受虚拟网球的触感。(图片来源﹕香港城市大学于欣格博士研究团队)

轻薄的无线穿戴式手掌贴片代替沉重的触感手套

目前的触感手套主要由气泵和风管所构成，以电线及传输线路来供电和控制系统，严重影响虚拟实境、扩增实境(augmented reality，AR)等用家的沉浸式体验。新研发的WeTac作为一套轻薄、柔软、紧贴皮肤的无线电触觉反馈系统，正有助解决上述提及的缺点。

这套系统由两部分组成：一个可贴于前臂的微型软片式驱动器作为操控面板，以及一块水凝胶电极手掌贴片作为触感介面。

整个驱动器净重19.2克，体积细小(5cm x 5cm x 2.1mm)，能够配戴在用家前臂之上，同时配备低功耗蓝牙(Bluetooth low energy，BLE)及可充电的小型锂离子电池，以作无线传输及供电操作之用。至于手掌贴片的厚度仅得220微米至1毫米，掌心至指尖位置都有电极覆盖，即使转换不同动作，都能展现其灵活性及保持有效触觉感应。

团队研发的无线电触觉反馈系统，主要由两部分构成，包括一个可配戴于前臂的软片式驱动器(图右)、及一块手掌贴片(图左)。(图片来源﹕香港城市大学于欣格博士研究团队)

高密度电极阵列提供个人化触感体验

于博士解释现今触觉技术遇到的另一难题时说：“电触觉是一种为用家带来虚拟触感体验的有效方法。然而，每个人的触觉敏感程度不一，相同的反馈强度在不同用家手中，可能有不一样的感受。因此我们需要研发一套通用的工具，为不同用家调整相应的反馈参数。”

而WeTac手掌贴片的超柔软特性，使系统易于找出不同用家的阈值电流，从而计算手部不同位置最适合的反馈参数。根据个人化的电流数据，系统可因应手掌不同部位的敏感程度，提供适当的电触觉刺激强度，避免触感过弱、或过强而造成疼痛。通过上述方法，系统可把物件大小、停留时间长短等触觉感受的时间和空间讯息，有效传神地反馈到用家手上，为用家带来更逼真的虚拟触感体验。

贴片装有32枚电触觉刺激颗粒，每颗电极之间的中心距离约为13毫米，全面覆盖指尖至掌心等不同范围，为穿戴贴片在手的用家，带来可编程的空间与时间触感。

另外，研究人员为系统加入安全装置，避免用家触电以外，亦将温度保持在摄氏27至35.5度的较低水平，以免用家因长时间操作而感到不适。

图中的扩增实境(AR)模拟一只虚拟老鼠在手上向前跳动及于不同位置停留。系统的水凝胶手掌贴片有32枚电触觉刺激颗粒分布全掌，使系统易于计算不同用家的阈值电流。(图片来源﹕香港城市大学于欣格博士研究团队)

具备广泛应用潜力

WeTac系统成功融入VR及AR等虚拟场景，亦可透过BLE通讯与机械臂等仪器同步运作。用家透过WeTac轻巧、可穿戴式及无线操控的设计，配合其以敏感度为中心的强度调整，就可轻松地以“亲手”体验虚拟触感。使用者可于不同场景感受虚拟物件，例如在运动训练中抓握网球、在虚拟社交或游戏中触摸仙人掌、或感受老鼠在手上走动等体感。

于博士说：“团队相信这项研究可为虚拟接触提供有效的发展工具，亦对‘元宇宙’、人机介面操作及其他不同范畴的技术发展，带来启发性的意义。”

研究论文的共同第一作是香港城大生物医学工程学系博士研究生姚宽明先生和周靖昆先生、机械工程学系博士毕业生黄清云博士，以及生物医学工程学系研究助理吴梦鸽小姐及博士研究生姚俊祺先生。共同通讯作者分别是于博士、王博士和李教授，以及中国电子科技大学的于军胜教授。复旦大学的宋恩名教授(前香港城大香港心脑血管健康工程研究中心研究员)、北京大学的张海霞教授及韩梦迪博士亦有参与研究。

研究项目的资金来源包括香港城大、香港研究资助局、创新及科技基金、香港心脑血管健康工程研究中心及国家自然科学基金委员会。

于欣格博士(中)与他的香港城大研究团队，包括周靖昆(右)、吴梦鸽(左)以及姚宽明研发出“WeTac”系统。(图片来源：香港城市大学)