A Wearable Pneumatic Device for Continuous, Closed-Loop, Bidirectional Tactile Interaction
本文提出了一种将触觉感知与力觉反馈统一在单一模态中的可穿戴气动系统，以实现连续、闭环、双向的交互，证明了其在提升远程操作操控性能及降低心理负荷方面的显著改进。
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人类的触觉是一种双向的过程。当我们伸手抓取一个脆弱的物体时，我们的皮肤能感受到手指施加的压力，这种感觉会立即告诉大脑去调整握力。这种感知与反应的持续循环实时发生，使我们能够处理精细物品而不至于将其压碎或掉落。在机器人领域，由于机器通常由远端的真人操作员控制，这种自然的交换经常被打破。机器人可能拥有能感知物体的传感器，但控制它的操作员通常只能看到视频画面。由于缺乏感受机器人所感之物的能力，操作员必须猜测该用多大的力气挤压，这往往会导致错误或损坏。尽管科学家们长期以来一直尝试赋予机器人触觉并赋予人类感知触觉的能力，但这两项技术很少作为一个单一、无缝的系统协同工作。
斯坦福大学的研究人员开发出一种新型可穿戴设备，通过使用气压来同时实现感知和创造触觉，从而弥补了这一差距。该系统由两个完全相同的、由柔软类织物袋组成的无线单元组成，可以佩戴在身上或安装在机器人上。每个囊袋都是一个双用途工具：它可以充气压向皮肤，从而产生触觉感；或者它可以被物体挤压，以测量内部的压力。当配备了其中一个囊袋的机器人接触到物体时，气压的变化会被测量并通过无线方式发送到佩戴在人类操作员身上的匹配囊袋。人类几乎瞬时就能在指尖感受到完全相同的压力变化，从而在机器人的手与人类的手之间建立起直接的联系。
该设备由涂层尼龙织物层组成，形成了小型可充气口袋。在每个口袋内部，一个微型计算机和一个阀门协同工作以控制空气。与以往需要笨重外部泵或软管的系统不同，该设备自带电源和气源，因此足够轻便，可以舒适地佩戴。研究人员设计该系统时，使每个通道都可以同时作为传感器、执行器或两者兼而有之。当作为执行器使用时，设备通过使囊袋充气压向皮肤，创造出一个稳定的凹陷感，模拟触摸真实物体的感觉。当作为传感器使用时，囊袋会检测自己被挤压的程度，并将这种物理力转化为压力读数。通过将两个这样的设备配对，团队创建了一个系统，使机器人感受到的压力能够实时在人类手指上重现，而无需经过任何中间形式的振动或声音转换。
为了测试该系统的效果，研究人员首先对设备本身进行了检查。他们发现，这些囊袋可以长时间保持压力而不泄漏，这比以前在几秒钟内就会失去压力的紧凑型气动系统有了显著改进。该设备也能做出极快的响应，在不到四十毫秒内改变其压力状态。这种速度足以跟上人类在日常生活中经历的快速触觉变化。该系统还能产生足以在指尖清晰感知的力量，其峰值力可超过七十六牛顿，这足以模拟坚实的握力。至关重要的是，压力变化从机器人传输到人类的时间被测量为六十四毫秒，这一延迟极短，以至于人类大脑会将反馈感知为即时的。
随后，团队进行了人体研究，以观察人们是否能利用这种反馈来提高技能。二十五名参与者被要求执行一系列任务：首先是用自己的手直接触摸物体，然后是通过控制机器人手臂来完成同样的操作。在第一组测试中，参与者使用该设备来区分不同的压力等级、硬度和重量。他们区分软硬物体时的准确度几乎与用手指直接触摸时相当。然而，当被要求通过机器人判断物体重量时，他们的表现略有下降，这表明虽然该设备在传递压力和纹理的感觉方面表现出色，但通过机器人判断重量仍然是一项更复杂的心理任务。
在研究的最后阶段，参与者进行了一项“拾取并放置”的任务，即他们需要将一个装满沙子的软袋从一个地方移动到另一个地方。他们在三种不同的条件下进行：直接观察任务、视线被部分遮挡观察任务，以及仅通过机器人腕部的摄像头画面观察。在每种情景下，当参与者可以通过设备感受到压力时，他们施加的力量都更小。具体而言，在视觉条件最困难的情况下，他们减少了高达百分之二十三的施加压力。他们完成任务的速度也更快，有些人在没有触觉反馈的情况下完成任务的速度提升了近百分之二十八。或许最重要的一点是，参与者报告说，当他们能够感受到机器人所感受到的压力时，心理压力和挫败感都减轻了。该设备似乎让远程控制这项艰巨的任务变得更加自然，且对大脑的负担更小。
研究人员总结道，通过将感知与感受统一到单一机制中，他们为一种新型的触觉交互奠定了实用的基础。这种方法避免了将一种信号转换为另一种类型（例如将压力转换为振动）所带来的困惑，因为后者通常需要用户学习一套新的代码。相反，该系统保留了施加力与感受到的感觉之间的自然关系。尽管该设备在尺寸和分辨率方面仍有改进空间，但研究表明，闭环压力反馈可以显著增强遥操作能力。它允许人类通过机器人与世界互动，达到以往难以实现的精准度和信心，为未来更精细、更可靠的远程操控开启了大门。
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