A Wearable Stiffness-Rendering Haptic Device with a Honeycomb Jamming Mechanism for Bilateral Teleoperation
本文介绍了 HJ-Haptic，这是一种利用蜂窝堵塞机制和真空压力来呈现可变物体刚度（1.15–2.64 N/mm）的轻量化可穿戴触觉设备，用于实现安全且有效的双边遥操作，并通过实验验证展示了可靠的刚度感知和稳定的交互。
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想象一下，你正在玩一款视频游戏，你控制着地球另一端的机械臂。你伸手去抓一个虚拟苹果，但你的屏幕显示机器人的手正在闭合，而你却感觉不到任何东西。这就像是在捕捉一个幽灵。为了让远程工作感觉真实，科学家们使用了“触觉反馈”（haptics）技术——这种技术能赋予你的身体触觉。实现这一点主要有两种方式。一种就像是你皮肤上轻微的震动或抓挠，它告诉你那里有东西。另一种被称为“力觉”（kinesthetic）反馈，它就像是感觉到物体对你的肌肉产生的实际重量和阻力。第二种类型对于精细任务至关重要，比如外科医生感受软组织与硬骨之间的区别，或者工厂工人知道自己是在挤压一个脆弱的蛋还是一个钢螺栓。一直以来的大挑战在于，如何制造出一种既足够轻便到可以佩戴，又足够强韧以产生真实感，且足够安全以至于在使用时不会让用户或机器感到吃力或受损的设备。
于是，HJ-Haptic 出现了，这是一款旨在解决这一难题的微型拇指佩戴式装置。把它想象成一个专属于你大拇指的“智能手套”，它可以瞬间改变挤压的难度。在这个重仅 20 克（比一节标准 AA 电池还要轻）的装置内部，隐藏着一个秘密成分：一个蜂窝结构，类似于蜜蜂建造蜂巢的蜡室。通常情况下，这个蜂窝结构是柔软且易于弯曲的。但该装置连接着一个真空泵。当泵抽走空气时，它会产生一个真空，将蜂窝层压紧，使整个结构锁定并变得僵硬，几乎就像把一块湿海绵变成了一块坚硬的砖头。
研究人员构建这个装置是为了在“双边遥操作”（bilateral teleoperation）系统中运行。这是一种高级说法，意思是你移动你的大拇指，另一端的机器人手就会模仿你的动作。但神奇之处在于：当机器人的手挤压一个真实物体时，你大拇指上的装置会立即改变自身的刚度以匹配该物体。如果机器人抓取的是一块软海绵，你的大拇指感觉就是软的；如果它抓取的是一个硬纸盒，你的大拇指感觉就是硬的。团队用三样物品测试了它：一张纸巾、一块泡沫海绵和一个纸板箱。他们发现，该装置利用仅 30 kPa 的真空压力，就能将刚度从 1.15 N/mm 平滑地切换到 2.64 N/mm。结果令人印象深刻；你大拇指的运动与机器人的手保持了完美的同步，而且你感受到的力与机器人施加的力高度匹配，误差极小。
这种方法之所以特别，是因为它处理了远程传输信号时经常出现的“延迟”问题。与其尝试发送关于“我推了多大力”和“我移动了多远”的独立信息（这可能会导致不同步并产生奇怪的感觉），不如发送一条统一的信息：“这个物体的硬度是多少”。这就像是试图通过分别列出音符和节奏来描述一首歌，与直接哼唱出旋律之间的区别。通过直接模拟刚度，即使连接存在微小的延迟，系统也能保持感觉的自然。
团队还注意到，使用真空（吸走空气）比使用正压（吹入空气）要安全得多。如果鼓风系统中的管路发生泄漏，它可能会突然弹出或产生意外的推力；但如果真空管发生泄漏，装置只会慢慢失去其“坚硬”的感觉，重新变软，就像一个泄气的气球一样，这对用户来说要安全得多。虽然该装置在测试中表现良好，但作者谨慎地表示，还需要更多的研究来观察长时间佩戴的舒适度以及不同人群的适应程度。他们建议，这项技术最终不仅可以用于远程机器人领域，还可以用于虚拟现实游戏，让你能感受到塑料剑与木剑的区别。目前，HJ-Haptic 是迈向让远程机器人的隐形世界变得像你手中实物一样真实的一步，它轻便且充满前景。
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