基于多层可变刚度弹性体驱动器的低压可编程触觉界面及其在残障群体认知增强中的应用

针对现有触觉反馈系统存在的高电压风险、刚性刺激及情感交互不足等问题，研究人员开发了一种基于多层可变刚度PDMS弹性体驱动器的新型低压（<50 V）可编程4D触觉界面。通过调控交联密度和高温驻极体薄膜技术，该界面实现了50-450 Hz宽频带、高保真情感与导航反馈，情感交互准确率从64.6%（无训练）提升至95.8%，导航指令识别率达94.2%。这项研究为残障群体提供了安全、柔性的人机交互解决方案，推动无障碍技术发展。

　　

触觉反馈技术是连接人类与数字世界的重要桥梁，尤其在辅助残障群体方面具有巨大潜力。然而，现有系统如盲文和机械播报依赖性强，且普遍存在高压驱动（千伏级）、刚性刺激或用户体验不一致等问题，难以满足情感交流和精准导航的需求。更棘手的是，传统柔性驱动器虽能避免电刺激风险，却受限于高阻尼、不可调刚度及复杂驱动系统，阻碍了其实际应用。如何开发一种既安全又能传递复杂信息的触觉界面，成为亟待突破的科技瓶颈。

针对这一挑战，国内某研究团队在《Research》发表了一项创新成果。他们设计了一种基于多层可变刚度聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体驱动器的低压可编程触觉界面，通过独特的材料工艺和系统集成，实现了情感与导航的双模态高保真反馈。该界面工作电压低于50 V，频率覆盖50-450 Hz，兼具柔性、可定制和无线操作特性，为残障群体提供了更自然的人机交互体验。

关键技术方法
研究采用多层PDMS弹性体作为刚度调节器，通过调控乙氧基硅烷交联剂比例实现局部刚度定制；结合130°C高温电晕充电的氟化乙烯丙烯（FEP）驻极体薄膜增强静电场。驱动器采用五层夹心结构（柔性电极/多层弹性体/驻极体介电层），通过有限元分析和实验验证优化性能。系统集成3×2阵列驱动器，配合蓝牙无线控制电路，实现时间、位置、振幅和频率的四维（4D）编程。

研究结果

设计与结构
通过理论建模将双层弹性体等效为串联弹簧振子，发现刚度比（τ=k₁
/k₂
）和质量比（σ=m₁
/m₂
）共同决定弹性恢复力。实验显示，三层PDMS（交联比25:1-15:1-5:1）在35 V驱动下输出力达34.4 mN，较单层提升336%。高温驻极体使表面电位衰减率<6%（96小时），保障长期稳定性。

系统集成与4D编程
阵列化触觉界面通过驱动策略设计实现多维调制。测试表明，驱动电压低至5 V、持续时间短至50 ms时仍可被感知。与同类技术相比，该驱动器单位电压输出力（1.06 mN/V@200 V）和频带宽度（400 Hz）显著领先。

情感交互系统
将触觉参数映射为情感坐标：节奏（R，频率/持续时间）对应唤醒度，平滑度（S，振幅变化率）对应愉悦度。通过4种基础情绪（激情/紧张/悲伤/放松）的触觉编码，用户识别准确率从初始64.6%提升至学习后95.8%。例如，“激情”采用700 ms振动+100 ms间隔的快速节奏与平滑振幅变化。

导航系统
基于触觉流错觉模型，优化启动时间（600 ms）、重叠时间（200 ms）和振幅比（1.67倍）参数。15名受试者对9种导航指令（如前/后、左/右）的平均识别准确率达94.2%，平均反应时间<4.3秒。集成该界面的导盲杖验证了实际应用可行性。

结论与意义
这项研究通过材料创新与系统设计，解决了触觉界面高压驱动与功能单一的行业痛点。其低压安全特性、高程序化能力和情感-导航双模态反馈，为视听觉障碍者提供了更自然的交互方式。未来，通过与神经科学、心理学的跨学科合作，该技术有望拓展至抑郁治疗、康复训练等领域，推动包容性社会发展。多层可变刚度弹性体还可作为传感器封装材料，为可穿戴设备的情感管理开辟新途径。