皮肤触觉接口技术的最新进展：综述
Recent Advances in Cutaneous Haptic Interfaces: A Review
Xiaosa Li, Yuan Guo, Caizi Li, Yingkui Zhang, Yilei Zheng, Ronggang Wang, Xinge Yu, Wenbo Ding, Qianqian Tong
关键词：皮肤反馈、柔性电子、触觉手套、皮肤集成触觉接口
摘要：
皮肤触觉接口技术在提升人类与机器交互方面展现出巨大潜力，可支持沉浸式体验、机器人远程操控及假肢感官反馈等功能。通过模拟皮肤接触中的按压、拉伸、振动、温度等多种触觉信号，触觉反馈不仅能增强临场感与真实感，还能提升任务执行效率及双向交互的稳定性。本文首先阐释皮肤触觉接口的基本概念，系统梳理了从皮肤集成贴片到指尖、全手可穿戴设备等最新触觉反馈模式与装置范式的进展，重点分析了各类反馈模式在时空可编程性及多模态反馈融合方面的突破。针对保持自然交互特性与实现个性化触觉反馈的需求，探讨了触觉反馈设备的皮肤适应性设计方法。随着触觉反馈设备与传感单元的深度融合，闭环控制系统的构建正成为实现更精准稳定触觉交互的重要趋势。最后，文章强调需要构建涵盖视觉-触觉协同感知、信号编码、渲染生成及反馈执行的全链条技术体系，以支持灵巧触觉交互，在虚拟现实及远程操控场景中实现更逼真、响应更迅速且可靠性更高的交互性能。
文章要点:
皮肤反馈模态及其时空可编程性与多模态整合系统总结了振动、压痕、拉伸和温度等基本皮肤反馈模态，重点分析了各模态在时空编程方面的进展（如动态振动序列、空间触觉图案、凹凸触觉形态），并探讨了在同一驱动器中实现多模态反馈（如法向力、剪切力、扭转、振动与热觉融合）的机制与优势。
皮肤适配性设计与器件范式演化归纳了皮肤集成式、指尖佩戴式及整手佩戴式（触觉手套）三类器件范式的发展趋势，强调轻量化、机械柔顺性、高密度驱动单元排布及长期佩戴舒适性等皮肤适配性设计；同时指出电触觉反馈在实现超薄、柔性、高分辨率刺激方面的独特优势。
传感-反馈功能集成与闭环交互系统构建突出当前研究向模块化共集成、结构紧凑型自感知驱动单元及功能一体化方向发展的趋势。通过在同一器件中集成感知与反馈功能，实现自校准、佩戴状态监测、组织硬度估计等闭环控制能力，为构建高保真、低延迟、双向交互的皮肤触觉系统提供关键技术路径。
图文导读：
图一：用于人机交互应用的皮肤触觉接口概览。该图示总结了：(i) 器件范式，包括皮肤集成式、手戴式和指尖佩戴式系统；(ii) 反馈模态，包括法向压痕（经许可引自参考文献[20]，版权所有2024，AAAS）、侧向拉伸（经许可引自参考文献[21]，版权所有2024，Springer Nature）、低/高频振动（经许可引自参考文献[22]，版权所有2024，Springer Nature；经许可引自参考文献[23]，版权所有2021，IEEE）以及温度（经许可引自参考文献[24]，版权所有2022，Springer Nature）；(iii) 代表性触觉示意图，包括形状、轮廓、重量、硬度、纹理、运动和幻影振动；(iv) 典型应用场景。应用场景分为触觉遥操作，包括机器人遥操作（经许可引自参考文献[49]，版权所有2025，AAAS）、假体感觉传递（经许可引自参考文献[50]，版权所有2019，AAAS）以及体内治疗（经许可引自参考文献[51]，版权所有2022，AAAS）；以及沉浸式触觉交互，包括消息通知（经许可引自参考文献[52]，版权所有2021，AAAS）、沉浸式体验（经许可引自参考文献[35]，版权所有2023，Springer Nature）以及虚拟操作训练（经许可引自参考文献[53]，版权所有2025，IEEE）。
图二：皮肤触觉反馈的模态及近期进展。（A）人体皮肤机械感受器与温度感受器的分布、相关感知模态及对应的触觉致动器设计。感受器分布图（经许可引自参考文献[35]，版权所有2023，Springer Nature）。振动致动器（经许可引自参考文献[60]，版权所有2024，IEEE）。法向压痕致动器（经许可引自参考文献[61]，版权所有2015，IEEE）。侧向拉伸致动器（经许可引自参考文献[62]，版权所有2010，IEEE）。温度致动器（经许可引自参考文献[35]，版权所有2023，Springer Nature）。（B–D）单模态触觉反馈中的时空可编程性。（B）通过振动触觉刺激的时间调制传递接触物体的物理属性（经许可引自参考文献[23]，版权所有2021，IEEE）。（C）利用致动器阵列生成振动触觉图案以引导感知运动方向（经许可引自参考文献[34]，版权所有2022，Springer Nature）。（D）用于形状变形的凸起或凹陷法向力图案（经许可引自参考文献[20]，版权所有2024，AAAS）以及盲文识别（经许可引自参考文献[63]，版权所有2023，IEEE）。（E–G）在单个触觉致动器内实现的多模态触觉反馈。（E）通过改变力方向的机械可重构结构，提供压痕、侧向拉伸和扭转反馈（经许可引自参考文献[21]，版权所有2024，Springer Nature）。（F）驱动可移动磁性元件的多轴线圈系统，提供全模态机械反馈，包括法向力、剪切力、扭转和振动（经许可引自参考文献[64]，版权所有2025，AAAS）。（G）利用热致动模拟滑动接触纹理及与温度相关的表面触感（经许可引自参考文献[65]，版权所有2022，AAAS）。
图三：皮肤触觉接口的器件范式。（A）安装在手臂或背部的皮肤集成式触觉接口，通过时空振动图案呈现物体形状信息（经许可引自参考文献[22]，版权所有2019，Springer Nature）。（B）可附着于手掌、手腕或前臂的柔性共形触觉接口，提供包括接触、纹理和温度在内的反馈（经许可引自参考文献[35]，版权所有2023，Springer Nature）。（C）设计用于在指尖呈现虚拟滑动纹理及精细触觉提示的指尖佩戴式触觉接口（经许可引自参考文献[44]，版权所有2025，Springer Nature）。（D）手戴式触觉手套，在遥操作过程中通过振动触觉或力反馈模拟远程机器人操纵器的抓握与接触感（经许可引自参考文献[47]，版权所有2024，Springer Nature）。
图四：面向交互式皮肤触觉接口的进展。（A–D）皮肤触觉接口在皮肤适配性方面的进展，包括：（A）轻量化结构（经许可引自参考文献[41]，版权所有2024，AAAS）；（B）机械可变形性（经许可引自参考文献[71]，版权所有2024，AAAS）；（C）高密度致动器集成（经许可引自参考文献[72]，版权所有2024，AAAS）；以及（D）长期佩戴舒适性（经许可引自参考文献[38]，版权所有2024，AAAS）。面向集成化传感-反馈架构的发展趋势。（E）传感单元与致动单元的模块化共集成（经许可引自参考文献[73]，版权所有2025，Springer Nature）。（F）自传感致动模块的紧凑结构集成（经许可引自参考文献[74]，版权所有2022，AAAS）。（G）实现主动反馈生成与触觉感知耦合的功能集成（经许可引自参考文献[75]，版权所有2025，AAAS）。
图五：涉及感知、编码渲染与反馈的触觉交互。运动追踪（经许可引自参考文献[79]，版权所有2020，AAAS）。接触感知（经许可引自参考文献[80]，版权所有2019，Springer Nature）。触觉信息的编码与渲染（经许可引自参考文献[79]，版权所有2020，AAAS）。灵巧操作（经许可引自参考文献[81]，版权所有2016，IEEE）。沉浸式触觉显示（经许可引自参考文献[82]，版权所有2023，IEEE）。
总结：
推进皮肤触觉接口的发展不仅需要提升致动器性能和器件集成度，还需要在多模态交互感知和感知优化的触觉编码方面建立新范式，从而构建连贯且响应迅速的交互系统。这些进展共同为开发更智能、更具适应性及更强沉浸感的触觉技术铺平了道路，使其适用于虚拟现实、机器人遥操作、医疗保健及灵巧技能训练等应用场景。
文章链接： https://doi.org/10.1002/sys3.70018
通讯作者
1. 丁文伯
分别于2011年和2016年在清华大学电子工程系获得学士和博士学位，2016年至2019年在美国佐治亚理工学院材料科学与工程系从事博士后研究，现为清华大学深圳国际研究生院副教授、博士生导师。近年来主要从事以柔性传感器为基础的新型机械爪研制和人机交互界面设计等相关工作，在信号处理、机器人触觉、摩擦电传感器等领域已发表SCI论文70余篇，申请/授权中美专利近20项。担任信号处理领域权威国际期刊Digital Signal Processing的副编辑、顶级期刊IEEE JSTSP机器人专刊首席客座编辑、IEEE旗舰会议SmartGridComm 2019的Workshop共同主席、ACM旗舰会议Ubicomp 2021 CPD Workshop共同主席以及多个国际会议的程序委员会委员。
2. 童倩倩
鹏城实验室战略与交叉前沿研究部副研究员，研究方向主要包括虚拟现实、人机交互、触觉传感/反馈、触觉互联网。2019年博士毕业于武汉大学，2022年在西班牙Multimodal Simulation Lab进行研究访问，入选鹏城孔雀计划特聘岗位人才及“鲲鹏”人才引育计划。在TVCG, TIE, ToH, ACM VRST, IEEE WHC等国际期刊/会议上发表学术论文约三十篇，荣获ACM VRST 2016最佳学生论文奖、IEEE WHC 2023最佳论文提名奖。主持国家自然科学基金-青年基金项目及中国博士后科学基金面上项目。担任ToH、IEEE VR、IEEE WHC、ACM VRST等期刊/会议论文审稿人。
