Science Robotics 美国康奈尔大学开发的新型触觉显示器

通过触觉交流电子信息的梦想几乎与现代计算一样古老。最早的触觉显示尝试包括 1933 年罗伯特·高尔特的遥控器，这是一种试图将语音中的各种频率作为聋人手掌振动传播的装置，以及诺伯特·维纳 （Norbert Wiener） 于 1949 年为海伦·凯勒 （Helen Keller） 设计和演示的“助听手套”原型。Optacon 是盲人读者的“视指”，在连接到压电双晶执行器的 144 针阵列中，将图像从扫描手写笔直接转换为振动模式，从而向一根食指提供任何打印文本的高分辨率触觉图像。尽管简单的振动触觉反馈机制现在在手机、游戏控制器和笔记本电脑触控板中无处不在，但对我们皮肤中数百万个触觉感受器的了解激发了现代平台，这些平台在大面积上通过皮肤空间敏锐度的分辨率来戳戳和刺激。可穿戴、不受束缚的触觉反馈设备的设计要求增加了这一努力的限制;例如，驱动表面还必须贴合身体，抵抗灰尘和湿气，并能承受用户的磨损。在这里重点关注毫米级触觉显示器的开发，以实现盲人、聋盲人或视力有限的人的精确计算机访问现代化——这是高自由度 （DoF） 驱动阵列的试金石（我们在这里通常使用“盲人”）。“神圣盲文”挑战概述了目前尚未实现的整页可刷新盲文电子阅读器的设计要求。一整页盲文有 25 行，每行有 40 个盲文单元格，这些盲文单元格使用六个可能的点的组合来形成字符，在可刷新的显示中总共有 6000 个执行器。考虑到一页盲文的大小，便携式多线盲文显示器的点数可能少于 6000 点，尽管尚未确定单一设计。点应按顺序上升 ~1 毫米，速度足以在 0.1 到 1 秒内刷新整个显示器，具体取决于读取应用程序 。与视觉素养一样，阅读由单个字符构成的盲文单词的能力对于认知流畅性至关重要，并且与向上的社会流动性密切相关。与计算机屏幕不同，大多数市售盲文显示器的单行字符不超过 40 个字符;盲人用户一次只能阅读数字文本的小快照。盲文显示技术缺乏进步，使得人们越来越依赖绕过学习盲文的文本转语音屏幕阅读软件。尽管方便，但更多地使用屏幕阅读器和公立学校系统对盲文教学的抑制继续降低全球盲文素养。因此，多线显示器至关重要，原因有两个。首先，它们支持计算机图形单元界面交互，例如编辑电子表格、阅读乐谱以及练习数学和计算机科学。其次，这些技术促进了在日益数字化的时代对盲文的掌握。我们在补充方法中提供了额外的上下文讨论。在过去的 5 年里，新的商业企业提出了不受束缚的便携式多线显示解决方案。例如，Dot Inc. 设计了一种盲文单元（一个六点单元）的电磁翻转闩锁执行器，用于他们自己的多线电子阅读。Tactile Engineering Inc. 最近宣布推出一款手持式四线 x 12 单元设备（Cadence，384 个执行器），它可以与其他设备无线配接，将读取范围扩展到八行 24 个单元。这些驱动系统具有快速刷新率和可扩展的架构，但存在制造公差严格、零件数量多和成本高的缺点。这些系统还对污垢堆积、液体进入和跌落冲击很敏感，需要经常维护，因为单个故障点会使电池或生产线变得无用。软机器人的跨学科领域包含多种和非常规的驱动模式，旨在改善设备尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C）。
标志性的软机器人设备将加压空气拉开以给弹性体室充气，在没有滑动部件的情况下产生机械功，并且天然能够抵抗冲击造成的损坏，有可能解决一些难以捉摸的触觉显示设计挑战。然而，考虑到阀门的体积、功耗和成本，当阀门单独连接到执行器时，基于阀门的控制策略的 SWaP-C 性能低得令人望而却步 。触觉气动驱动的好处继续推动微流体逻辑系统的进步，包括 NewHaptics 构建气动盲文显示器的努力。最近为触觉阵列提出了电流控软致动方法，包括亚毫米厚的液压放大静电软致动器，可以在 5 毫米内产生 1 毫米的变形2–x–5 毫米2足迹和电渗致动器，可以在 1 秒内将直径为 2 毫米的点提升到 >1 毫米的高度。康纳尔大学研究人员扩展了多线触觉显示器的作能力，使用一系列圆顶膜，这些膜通过爆炸性压差向上翻转（翻过来），并通过真空吸力向下翻转。先前的工作表明，通过在弹性体腔内点燃微升体积的氧燃料气体混合物，可以在没有阀门的情况下单独控制流体执行器阵列。通过利用弹性体双稳态，生产了一个密封的闭锁展示平台，没有滑动部件，并将移动部件总数从数千个减少到单个模制片材应用于触觉显示器，该设备架构可以为当前显示器无法运行的环境（即中转站、厨房或室外空间）带来经济实惠。