本期发布术语新词：主动电子皮肤（Active Electronics Skin）。

主动电子皮肤(Active Electronics Skin)

作者：王党校（北京航空航天大学）

开篇导语

主动电子皮肤是指支持裸手自然交互的新型人机交互界面，是一种可呈现纹理、温度、柔软度等多元触觉信息的触觉反馈装置。有别于桌面式、触屏式和穿戴式等传统的触觉交互范式，主动电子皮肤可贴附在不同的物体表面，具有赋予和改变物体表面触觉信息的能力。主动电子皮肤的研究和发展，不但有望显著提升虚拟现实系统的沉浸感和机器人遥操作系统的逼真性，也将为理解人的触觉感受生理机制提供新型研究平台。

InfoBox：

中文名：主动电子皮肤

外文名：Active Electronics Skin

学科：人机交互

实质：支持裸手多元触觉交互界面

研究背景

触觉被称为感觉之母，是人类与外界交流的重要通道。人与自然界交互时，触觉时时刻刻都在发挥着不可替代的作用，纹理、冷暖、软硬等物体属性必须通过触摸才能被感知。与此形成巨大反差的是，在现有的人-机交互系统中，触觉通道仍然处在萌芽期，触觉反馈体验还停留在振动触觉和低自由度力反馈的层面，欠缺对于纹理、温度、柔软度等细腻触觉体验的再现能力。过去30年中，计算平台的演变大致可以划分为三个阶段：个人计算机时代、移动计算机时代、穿戴式计算时代，每个时代催生了对应的触觉反馈装置，即桌面式、触屏式和穿戴式。桌面式触觉交互装置借助手柄等操作器实现人和虚拟环境的触觉交互，适合于模拟以工具为化身的交互任务；触屏式触觉交互装置适合于模拟手机、iPad等屏幕交互任务；穿戴式触觉交互装置可以支持多指、多手势的灵巧操作，但存在装置结构复杂、穿戴困难等局限。随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和机器人等领域的迅猛发展，迫切需要研制新型的支持裸手自然交互的触觉反馈装置，以实现纹理、温度、柔软度等细腻触觉的再现。

研究概况

作为提升多模态人机交互系统真实性与沉浸感的关键技术之一，支持裸手自然交互的触觉呈现技术受到众多研究团队的广泛关注。近10年来，麻省理工学院、斯坦福大学、西北大学、洛桑联邦理工学院、东京大学、北京航空航天大学在内的多所人机交互领域的研究团队陆续对主动电子皮肤技术开展相关研究，在精细纹理呈现、温度调控、柔软度控制等单一模态呈现方面取得了丰硕的研究成果。

触觉模态的单独呈现

通过控制驱动器阵列的激活状态，纹理呈现装置可以在其表面产生连续微尺度的形貌变化，以实现不同纹理图案的再现。根据驱动原理不同，可以分为电活性驱动器[1]、电磁驱动器[2]、气动驱动器[3]、形状记忆聚合物驱动器[4]、人工肌肉[5]等。对于温度呈现装置，目前主流的方法包括利用帕尔贴加热/制冷的调控方式 [6]和通过流体传导热量[7]的方法。在柔软度呈现方面，多采用热致形状记忆聚合物[8]、磁流变液[9]、layer jamming[10]等驱动方式，通过外部激励调控上述材料力学属性用于模拟不同接触表面刚度。

多元触觉模态融合机制

在触觉信息的呈现过程中，每种触觉模态均需要相对应的驱动方案。为了实现多元触觉呈现，需要将不同类型的驱动器集成在触觉反馈装置有限的空间范围内，以同时再现不同的触觉体验。受限于驱动器的体积和种类，现有触觉呈现装置仅能模拟纹理、温度、柔软度等单一触觉模态，无法实现高空间分辨的多元触觉反馈。在今后的研究中，需要探究微型化、低功耗、柔性化的单一触觉反馈驱动器，进一步探究多元触觉驱动器的空间布局方式，在保证每种触觉模态直接作用于人手的同时，进一步提升多元触觉的空间分辨率、降低多元触觉间的反馈信息的干扰耦合。

未来发展：

元宇宙概念的提出，进一步加速了物理世界和数字世界的融合进程，触觉作为人机交互的重要通道，势必会在VR、AR等领域发挥不可替代的作用。主动电子皮肤概念的提出，有望建立一个融合多元触觉信息的新型交互平台，为用户提供强真实、高沉浸的逼真交互体验。目前，主动电子皮肤仍处在起步阶段，涉及机械、电子、材料、计算机、心理学和认知科学等多学科领域，存在着许多的科学问题和关键技术难题有待解决，如缺乏纹理、温度、柔软度等多元触觉协同感知阈限的相关研究、多元触觉信息感知的生理机制尚未清晰、纹理、温度、柔软度等触觉模态的多元融合配准困难等。高性能主动电子皮肤的研发，将赋予调控物体表面多元触觉属性的能力，支持用户通过裸手自然交互的方式感知VR/AR世界物体丰富的触觉信息，极大地提升用户在游戏娱乐、远程操作等诸多领域的交互体验和沉浸感。

参考文献

[1] H. Phung, C. T. Nguyen, T. D. Nguyen, C. Lee, U. Kim, D. Lee, J. Nam, H. Moon, J. C. Koo, and H. R. Choi, "Tactile display with rigid coupling based on soft actuator," Meccanica, vol. 50, DOI 10.1007/s11012-015-0270-5, pp. 2825-2837, Nov. 2015.

[2] F. Pece, J. J. Zarate, V. Vechev, et al. "MagTics: Flexible and Thin Form Factor Magnetic Actuators for Dynamic and Wearable Haptic Feedback," Proceedings of the 30th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, DOI 143–54.10.1145/3126594.3126609, pp. 143–154, Oct. 2017.

[3] M. A. Robertson, M. Murakami, W. Felt, and J. Paik, "A Compact Modular Soft Surface with Reconfigurable Shape and Stiffness," IEEE-ASME T. Mech., vol. 24, DOI 10.1109/TMECH.2018.2878621, no. 1, pp. 16-24, Feb. 2019.

[4] N. Besse, S. Rosset, J. J. Zarate, and H. Shea, "Flexible Active Skin: Large Reconfigurable Arrays of Individually Addressed Shape Memory Polymer Actuators," Adv Mater Technol-Us., vol. 2, DOI 10.1002/admt.201700102, no. 10, pp. 1700102, Aug. 2017.

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[7] S. Cai, P. Ke, T. Narumi and K. Zhu, "ThermAirGlove: A Pneumatic Glove for Thermal Perception and Material Identification in Virtual Reality," 2020 IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces, DOI 10.1109/VR46266.2020.00044, pp. 248-257, Mar. 2020.

[8] J. Sun, Y. Liu, "Mechanical properties of shape memory polymer composites enhanced by elastic fibers and their application in variable stiffness morphing skins," Journal of Intelligent Material Systems and Structures., vol. 26, DOI 10.1177/1045389X14546658, no. 15, pp. 2020-2027, Aug. 2014.

[9] C. G. Petter, A. S. Tan, T. Sattel, "A semi-active magnetorheological fluid mechanism with variable stiffness and damping," Smart Materials & Structures., vol. 23, DOI 10.1088/0964-1726/23/11/115008, no. 11, pp. 115008, Sep. 2014.

[10] A. A. Stanley, A. Okamura, "Deformable Model-Based Methods for Shape Control of a Haptic Jamming Surface," IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics., vol. 23, DOI 10.1088/0964-1726/23/11/115008, no. 2, pp. 1029-1041, Feb. 2017.

作者介绍

王党校

北京航空航天大学

hapticwang@buaa.edu.cn

研究领域：机器触觉、脑机交互、虚拟现实

术语工委及术语平台介绍：

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计算机术语审定工作委员会

主任：

刘挺（哈尔滨工业大学）

副主任：

王昊奋（同济大学）

李国良（清华大学）

主任助理：

李一斌（上海海乂知信息科技有限公司）

执行委员：

丁军（上海海乂知信息科技有限公司）

林俊宇（中国科学院信息工程研究所）

兰艳艳（清华大学）

张伟男（哈尔滨工业大学）