基于液晶弹性体的触觉像素阵列：触手可及的先进人机界面

《Advanced Materials》：Liquid Crystal Elastomer-Based Haptic Pixel Arrays at Your Fingertips for Advanced Human–Machine Interfaces

　　

触觉在人机交互中未被充分利用，尤其是与视觉和听觉信息传递的普遍性和复杂性相比；这种缺失影响深远，因为触觉在人类感知世界中扮演重要角色，而常用设备中触觉的缺失限制了对数字空间的可访问性，特别是对盲人和视障用户。幸运的是，液晶弹性体（LCEs）的刺激响应形状变形特性提供了解决方案：在研究中，研究人员通过机械编程方法制备了LCE双层涂层，实现了耐用、高振幅的可切换表面突起（即触觉像素），并将其组装成生成触觉图像和触觉反馈的数字平台。研究人员进一步通过显微技术和基于橡胶弹性新经典理论的模拟，表征并描述了触觉像素设计。研究人员演示了在数秒内对单个LCE像素进行安全、有效的电子可寻址激活，同时进行了触觉线方向辨别的心理物理学评估，其中LCE触觉像素的性能与标准触觉图形介质——发泡纸相当。由此，研究人员将LCE确立为下一代动态触觉显示器的有力候选材料。

**论文解读：基于液晶弹性体触觉像素阵列的先进人机界面**

**研究背景与问题**

在现代数字通信中，视觉和听觉是信息传递的主要渠道，而触觉作为人类感知世界的重要感官，在常用数字设备中几乎被完全忽视。这种缺失对盲人和视障用户尤为严重，导致其在数字空间的访问受限。现有触觉技术，如静态触觉图形（浮雕纸、发泡纸等）虽能提供非视觉信息，但不可刷新，无法与数字设备集成。而基于压电驱动销阵列的可刷新触觉显示器虽能动态显示，但机械结构复杂、体积庞大、成本高昂，且易磨损。因此，开发一种结构紧凑、可刷新、成本低廉且性能可靠的触觉显示技术，成为提升数字包容性的关键需求。

**研究目的与内容**

研究人员旨在开发一种基于液晶弹性体（LCEs）的涂层式可刷新触觉显示平台，该平台可通过数字编程可逆地生成突起（触觉像素），以形成可选择的触觉图像。研究人员利用LCEs的刺激响应形状变形特性，通过机械编程和双层涂层设计，实现高振幅、可重复的触觉像素阵列，并集成到数字化可寻址平台中。通过心理物理学实验验证其触觉感知性能，并与标准触觉介质发泡纸进行对比，从而确立LCEs作为下一代动态触觉显示器的可行性。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术：1）两步交联策略：通过碱催化的迈克尔加成反应形成松散交联的LCE网络，随后通过3D打印压印引入表面凹陷并诱导液晶基元取向，最后通过紫外光引发巯基-烯自由基反应永久固定各向异性，实现机械编程。2）双层涂层制备：将基于二丙烯酸酯单体6和二硫醇单体2的柔性丙烯酸酯层填充到LCE表面凹陷中并光聚合，形成平坦的顶层，加热时LCE层变形驱动顶层凸起。3）数字化设备集成：将LCE涂层置于带有表面贴装电阻器的柔性印刷电路板（PCB）上，通过焦耳热实现局部加热，驱动单个像素；采用金属散热器进行被动散热，抑制热扩散。4）心理物理学评估：采用二选一强制选择法，让12名参与者（样本队列来源：埃因霍温理工大学）通过触觉辨别LCE像素和发泡纸的线条方向，计算刚好可察觉差异（JND）并进行统计学比较。

**研究结果**

**2.1 液晶弹性体作为触觉屏幕**

研究人员通过调整乙烯基单体4和5的比例，将LCE的向列相-各向同性转变温度（T_NI）调节至约40°C，确保在37°C以下几乎无驱动，45°C前完成大部分变形，符合人体安全温度范围。通过干涉测量，LCE层在22°C时具有138 μm深度的凹陷，加热至50°C时凹陷减小至30 μm。引入丙烯酸酯双层后，室温下表面平坦（起伏<5 μm），加热至50°C时，LCE层变形驱动顶层凸起，形成触觉像素。通过优化丙烯酸酯层中二硫醇单体2的含量（10%），研究人员使驱动力保持率最大化（约90%），且驱动窗口受玻璃化转变温度（T_g）控制。经过200次加热-冷却循环，双层系统性能无退化，证明其耐久性。通过纳米压痕测量和力测量，研究人员量化了LCE层的机械刚度及驱动产生的力，为触觉感知提供参数。

**2.2 拓扑特征与机械编程的关系**

通过偏振光学显微镜（POM）和PolScope测量，研究人员发现压印形成的凹陷周围出现了方位角为+1的拓扑缺陷，并揭示了复杂的二维和三维取向结构。模拟基于橡胶弹性新经典理论，表明压印产生的局部压缩导致径向拉伸应变，驱动液晶基元沿拉伸方向取向，形成径向取向场；而在压印区域外，材料不可压缩性导致侧向流动和压缩，形成方位角取向场。这种叠加产生弯曲-扭曲取向剖面，模拟结果与实验观测一致。驱动时，热刺激导致取向序参数降低，凹陷变平，验证了模型的正确性。

**2.3 数字设备集成**

研究人员将LCE涂层（像素间距2 mm）集成到带有匹配电阻网格（2 mm间距）的柔性PCB上，通过焦耳热实现局部加热。热成像和温度分布显示，在散热器辅助下，单个像素加热时，温度场被限制在2 mm × 2 mm区域内，相邻像素不受影响。3 × 3像素阵列的演示表明，可独立驱动单个像素或一行像素，且长时间加热后背景温度仅上升约2°C，驱动区域宽度不变。驱动动力学测量显示，像素在约3秒内达到90%最大高度（138 μm），9.5秒达到峰值，关闭加热后5秒内恢复平坦，总开关周期约15秒。通过调节电压可连续控制突起高度。有限元模拟证实了散热器对限制热扩散的关键作用。

**2.4 实际应用中的性能评估**

研究人员进行心理物理学实验，比较LCE像素（高度50 μm，直径1.2 mm，呈点状线排列）与发泡纸（高度170 μm，线状）在触觉线方向辨别中的性能。12名参与者完成二选一强制选择任务，计算每个材料的JND（最小可察觉方向差异）。LCE条件的平均JND为7.2°（标准差1.6°），发泡纸为7.1°（标准差1.7°）。配对t检验显示无显著差异（t(11) = -0.21, p = 0.84），等效检验（界限±7.1°）证实两种材料的方向辨别性能在统计上等效（t(11) = 10.8, p < 0.001）。这表明LCE触觉像素在触觉感知功能上与标准触觉介质相当。

**总结与讨论**

研究人员在结论部分总结：通过机械编程的LCE涂层，结合混合物组成、两步交联、压印和双层集成，实现了在人体安全温度窗口内的高振幅突起（约100 μm）。通过模拟和实验明确了驱动机制，并成功将LCE触觉涂层集成到数字化可寻址PCB上，通过焦耳热实现空间限域的像素驱动，可在数秒内重复开关并控制高度。心理物理学基准测试表明，LCE触觉像素的线方向辨别性能与发泡纸相当，验证了其感知功能与机械性能的实用性。研究人员设想，未来工作将把该设备的触觉功能与常用人机界面（如显示器、虚拟/增强/混合现实设备，甚至手术机器人控制器）连接。因此，该工作确立了LCE涂层作为可扩展且感知可行的材料，为下一代动态触觉界面提供了可能，以实现可访问且平等的虚拟世界。