基于可编程声学超材料的动态多触点触觉刺激塑造技术

为解决传统声学超材料一旦制造后其色散特性在时空上不可变的问题，研究人员开展了利用双态单元（谐振态/驱动态）实现可编程声学超材料的研究。结果表明，该材料能产生深亚波长带隙（163-287 Hz），实现振动模式的实时重构（25 ms）与空间信息编码（120 bit/s），为多触点触觉显示提供了低成本的解决方案。

　　

在触觉显示技术领域，如何实现刚性表面上的多触点、可编程振动反馈一直是个重大挑战。传统声学超材料虽能通过局域共振产生带隙（Band Gap, BG）抑制弹性波传播，但一旦制造完成，其特性便固定不变，极大限制了实际应用。主动调谐的超材料虽能部分解决这一问题，但现有电磁驱动单元响应速度慢（300 ms/单元），压电单元工作频率过高（kHz-MHz），且均无法独立控制多个振动源。

针对这些局限性，来自法国索邦大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，他们利用智能手机中常见的线性谐振驱动器（Linear Resonant Actuators, LRAs）构建了一种新型主动声学超材料。这种材料由双态单元组成：通电时作为振动源，断开时作为被动谐振器，具备自调谐能力，能自动匹配驱动单元的载波频率（约200 Hz），在触觉相关频段形成深亚波长带隙。

研究团队通过理论建模与实验验证，采用11个LRAs构建了一维阵列原型系统。关键方法包括：1) 基于Timoshenko-Ehrenfest梁理论建立带隙分析模型；2) 通过激光干涉测量法表征单元脉冲响应；3) 采用加速度传感器阵列实现全场振动测量；4) 基于MOSFET的快速电子切换技术（25 ms）；5) 设计可调边界阻抗的悬吊系统验证鲁棒性。

双态主动单元设计

研究选用商用LRA（Vybronics VLV101040A，尺寸10×10×4 mm3）作为单元核心。当其线圈通电时处于"驱动态"，通过洛伦兹力产生振动；断开时处于"谐振态"，作为被动谐振器。实验测得单元二阶模型参数：质量m=1.57 g，刚度K=3.08 N/mm，固有频率f₀=223 Hz，品质因数Q=19.8，符合低损耗谐振器要求。

深亚波长带隙特性

理论模型预测带隙范围为223-284 Hz，实验测得实际带隙为163-287 Hz，在205 Hz处达到13.2 dB衰减。无量纲比φ=λ₀/L≈17（λ₀=166 mm为自由空间波长），证明其具备阻止波长17倍于单元尺寸的弹性波传播的深亚波长能力。带隙特性在边界阻抗变化时保持稳定，RMSE误差较带隙外低1-2个数量级。

空间局域化加速度场

研究表明，当驱动单元间距≥60 mm时，可在带隙内形成独立振动点。通过高速电子切换（25 ms）可实现振动模式的动态重构，上升沿建立时间快于下降沿衰减时间（τ=22 ms）。

触觉信息编码应用

通过3比特二进制编码实验（单元1,6,11代表三位），在带隙内载波（205 Hz）条件下，信息解码成功率达81%，而带隙外（370 Hz）仅34%。感知实验显示，同时激活三个单元时因漏斗效应（funneling illusion）易产生定位混淆。

波场路径跟踪能力

采用Slepian加窗信号重叠驱动（80%重叠度），可实现振动点沿预设路径的连续移动（速度达300 mm/s）。路径跟踪指标M1（轨迹连续性）和M2（偏离度）在带隙内表现最优。

该研究首创的基于商用LRA的双态超材料，实现了三大突破：1) 自调谐带隙与驱动频率自动匹配；2) 25 ms级实时重构能力；3) 深亚波长控制（φ≈17）。这不仅为多触点触觉显示提供了低成本解决方案，更在机械计算领域开辟了新途径——通过弹性波的空间调制可实现模拟信息处理，为"触觉计算"奠定了理论基础。研究团队特别指出，该技术可直接应用于 Perkins盲文显示器布局，为视障人士提供实时通信设备。相比需要复杂加工的压电超材料，这种采用现成元件的方案极大降低了技术门槛，有望推动主动超材料的普及化应用。