开源可穿戴触觉反馈平台ARIADNE：实现跨身体部位标准化振动感知与运动引导的新方法

《Device》：Open-source hardware and software platform for vibrotactile motion guidance

本文报道了一种名为ARIADNE的开源可穿戴触觉反馈平台，通过医用粘合剂固定线性共振致动器(LRA)和内置加速度计，解决了传统绑带式设备振动传输不一致的问题。研究人员建立了皮肤振动力学模型，发现骨骼部位虽振幅较小但感知更强，且皮肤刚度与体脂百分比相关。该平台与光学运动捕捉系统集成，成功实现了步态矫正应用，为运动学习、康复训练等领域提供了标准化振动反馈工具。

　　

当运动员完善网球发球动作、中风患者重新学习走路、学生尝试新瑜伽姿势时，他们都需要实时反馈来掌握这些技能。可穿戴振动触觉设备为这种需求提供了有效的解决方案——通过微型振动电机在皮肤上产生脉冲，提示用户何时以及如何调整身体姿态。然而，该领域长期面临标准化工具缺乏的困境，导致振动反馈在实际应用中效果参差不齐。

现有技术存在几个关键问题：常用的偏心旋转质量(ERM)电机存在时间延迟，会降低反馈效用；振动信号在皮肤上容易扩散；用户对反馈的反应差异巨大。这些差异可能源于用户对触觉反馈类型的主观偏好不同、影响反馈感知的皮肤特性多样，以及设备在身体上的固定位置和松紧程度不一致。更重要的是，传统使用绑带或袖套固定致动器的方法会引入额外变量，而开发软质粘性致动系统又需要专业知识和资源，阻碍了许多潜在用户的采用。

针对这些挑战，马克斯·普朗克智能系统研究所和卡内基梅隆大学的研究团队开发了名为ARIADNE(Adhesive Resonant Interface for Applying Directional Nudges Effectively)的开源可穿戴平台。这一创新系统采用医用粘合剂直接固定设备，确保与皮肤的贴合接触，并通过内置高带宽加速度计实时测量皮肤振动响应。

研究团队通过两项人体实验验证了该平台的性能。在第一项研究中，20名参与者在胫骨周围的四个部位体验不同电压水平的振动刺激。令人惊讶的是，尽管放置在胫骨前侧(骨骼部位)的致动器振动幅度明显较小，但参与者却一致报告该部位的感知强度更高。通过建立双质量块力学模型并优化皮肤刚度(k_s)和阻尼(b_s)参数，研究人员发现这些参数与身体成分存在显著相关性——体脂百分比越高，皮肤刚度系数越小。

在第二项研究中，六名参与者使用ARIADNE进行实时步态再训练，学习内八字步态。平台与光学运动捕捉系统集成，在检测到步态偏差时通过蓝牙无线触发振动提示。结果显示，接受振动反馈的参与者能够以72.8%的准确率保持新步态，显著高于仅接受口头指导的对照组(41.8%)。技术接受模型(TAM)评估显示，参与者对设备的感知有用性评分达83%，感知易用性达77%。

研究人员采用了几项关键技术方法：设计了基于医用粘合剂的模块化可穿戴硬件，集成了线性共振致动器(LRA)和高带宽加速度计；建立了皮肤振动的集中参数动力学模型，并通过优化算法获取个体化参数；开发了与光学运动捕捉系统实时交互的步态分析算法，能够准确识别步态事件；设计了两种振动编码策略（固定时长和误差比例缩放）进行对比研究。所有实验均在20名健康参与者（10男/10女）中进行，并记录了详细的身体成分数据。

组织特性影响物理振动幅度

通过分析四个部位在不同电压下的加速度数据，研究人员发现前侧部位（胫骨上方）的峰峰值振幅显著小于其他肌肉部位。在100%电压下，前侧部位平均振幅为53.57±10.98 m/s2，而其他部位均在67-70 m/s2范围内。这一差异源于骨骼部位更高的组织刚度，通过双质量块模型优化得到的皮肤刚度(k_s)和阻尼(b_s)参数在前侧部位也显著更高。

不同身体部位的感知信号强度

尽管前侧部位的物理振动幅度较小，但参与者却认为该部位的振动感觉更强。协方差分析显示，在相同峰峰值振幅下，前侧部位的感知强度评分显著更高。开放性问卷反馈也证实了这一发现，16名参与者报告不同部位的振动强度存在差异，其中11人明确表示前侧部位的感觉更强。

康复性步态再训练的应用示范

在步态引导实验中，ARIADNE成功帮助参与者学习10°内八字步态。实时运动捕捉系统计算每一步的足部前进角，在检测到偏差时通过 medial 或 lateral 部位的致动器提供振动提示。

该研究的结论部分强调了几个重要发现。首先，粘合式固定方式相比传统绑带能提供更一致的皮肤接触，避免因固定压力不同引入的变量。其次，皮肤刚度和阻尼参数不仅在不同解剖部位存在系统性差异，还与个体的身体成分相关，这为理解反馈感知的个体差异提供了新视角。最引人注目的是，骨骼部位虽然振动幅度较小，但感知强度反而更高，这一悖论提示未来触觉反馈系统需要像多声道音频系统校准那样进行感知均衡。

研究人员也指出了当前研究的局限性。动力学模型未包含电动力学因素，并假设悬架弹簧和阻尼器为线性，这可能导致在信号上升和衰减阶段出现偏差。此外，加速计数据的有线传输限制了在运动状态下的应用，未来需要更强大的微控制器来实现无线数据传输。

这项研究的深远意义在于为可穿戴触觉设备提供了标准化工具和量化方法。通过开源硬件和软件，研究人员可以基于该平台开发更多致动器模块或同步多个设备，实现更丰富的反馈模式。由于振动提示在持续时间、幅度和波形方面均可定制，该设备可用于评估不同反馈范式对学习过程的影响。与标准运动捕捉系统的集成证明其已准备好应用于上肢康复、工伤预防和运动训练等多个领域。蓝牙接口使其可兼容基于摄像头或可穿戴惯性测量单元的运动捕捉技术，从而将可靠的生物反馈从校准实验室扩展到诊所、健身房和户外环境。