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标题: Science Advances：一种多功能软变形和触觉显示器 [打印本页]

作者: 科技颠覆者 时间: 2025-1-5 16:09
标题: Science Advances：一种多功能软变形和触觉显示器
01 内容概览现有技能缺点无法主动将变形的外貌重新配置为各种 3D 形状。装备庞大复杂：呆板装置依靠线性致动器和刚性结构，拦阻其小型化和实用性。功能单一：现有软材料驱动方案通常只能变形，缺乏多模态触觉反馈，难以满足复杂交互需求。变形速率慢：许多技能难以实现快速的外貌几何重构。文章亮点创新驱动器计划利用结合PVC凝胶复合材料、介电液体和电极阵列的电液驱动器，创新性地控制液体流动，实现快速形状变形。PVC凝胶具备高介电常数和柔性弹性，可通过电场引导液体动态迁移，生成无缝3D形状。高性能表现形状变形速率仅需45 ms，平面外变形达2.5 mm。输出力强劲，最大振动力为2.4 N，频率范围宽达0.1–300 Hz。多模态触觉反馈提供动态触觉模式和振动，支持变形外貌上的定位触觉纹理感知。静电拉链技能增强了触觉精确性和可控性。轻薄与机动性：装备框架轻薄紧凑，便于应用在柔性界面和小型扮装备中。应用场景人机交互界面：增强假造现实和增强现实中的触觉反馈，提升用户体验。助视装备：为视障人士提供触觉信息显示，例如地图或文字感知。呆板人技能：在呆板人抓取和操控物体中提供快速响应和复杂几何形变能力。医疗培训：模仿人体组织的触觉和形态变革，用于外科手术培训。娱乐和教育：用于互动游戏、动态模子展示和教学工具。总结本文提出了一种基于电液驱动的多功能软变形和触觉显示技能。通过独特的PVC凝胶复合材料和介电液体组合，该装备能够快速、高效地变形为多种3D形状，同时提供动态触觉反馈。其创新的静电拉链控制技能办理了现有技能的分段化和慢速问题，实现了轻薄化计划，并具备高输出力和精准触觉感知的能力。实验还展示了该技能在呆板人操控中的潜力，尤其是通过液体流动惯性实现高速物体操作。这项研究为复杂交互系统中的触觉界面计划提供了重要突破，具有广泛的应用前景。文章名称：Dynamically reconfigurable shape-morphing and tactile display via hydraulically coupled mergeable and splittable PVC gel actuator期刊：Science Advances文章DOI：10.1126/sciadv.adq2024通讯作者：韩国科学技能院 Ki-Uk Kyung和韩国电子与电信研究所Sungryul Yun02 图文简介

图1. 形状变形和触觉显示概念的示意图。(A) 可重构形状变形和触觉显示的结构配置及其操作机制。(B) 各种形状变形驱动器的驱动应变和响应时间比较。© 3D形状的无缝表达，包括形状的合并与分裂、符号及复杂外貌几何形状。(D) 通过简单触摸交互可感知的动态触觉图案。(E) 形状变形后的可定位外貌纹理。(F) 通过变形外貌对小物体的高速传递和操控。

图2. 制备PVC胶复合材料的制造过程及材料特性。(A) 不同DBA

VC比例（1:1至6:1）下PVC胶的储存模量。(B和C) 在50%应变下，具有不同DBA

VC比例（1:1至6:1）的PVC胶的拉伸-恢复曲线及滞后举动。插图比较了DBA

VC比例为1:1和2:1的PVC胶的拉伸-恢复曲线。(D) DBA

VC比例（1:1至6:1）对介电常数和正切δ的依靠性。(E) 扫描电子显微镜（SEM）图像显示了所示PVC胶复合材料的横截面（顶部）以及复合材料在拉伸前后的照片（拉伸: ~97%，比例尺: 10 mm）（底部）。(F) 在形变高度为2.957 mm的变形-恢复循环中，嵌入两个PVC胶之间的多壁碳纳米管（MWCNT）电极的相对电阻变革。

图3. 可合并和可分离PVC凝胶驱动器的形状变形过程及驱动性能。(A) 变形过程至合并形状、重新配置至分离形状及随后的恢复。比例尺，10 mm。(B) 合并形状对阶跃输入电压的变形响应。© 基于电极内界限约束数目的驱动电极的拉入电压。(D) 合并形状与分离形状的电压-位移曲线。(E) 合并形状的阻滞力阶跃响应。(F) 合并形状对施加电压的阻滞力。(G) 合并形状的峰-峰阻滞力的频率响应。(H) 合并形状的位移频率响应。(I) 在1 kV直流电压下，合并形状变形过程中的位移时间响应，随后在频率为50 Hz的方波电压（0至2 kV）下的合并形状振动。(J) 合并形状在频率为1 Hz的正弦电压（−0.2至2 kV）下进行1000次驱动周期的重复性测试，插图展示了前后5个周期的丈量位移。

图4. 动态可重构形状变形和触觉显示器的形状表达能力。 (A) 复杂形状模仿山地地形的照片和三维轮廓图，如图1A中的概念插图所示， (B) 波浪状图案， © 分布多个单位的配置，以及 (D) 单词“SHAPE”。(E) 从苹果到被咬过的苹果的形状重构过程，始于一个初始平面。比例尺，10 mm。视频 S4 作者的形状变形和触觉显示系统能够提供多种触觉感受，包括动态触觉图案和变形形状上的局部外貌纹理。该功能通过涉及12名参与者的用户研究得到了验证（图5，视频S5，S6）。所开辟的界面提供了通过简单触摸交互即可感知的动态触觉模式。这些动态触觉模式是通过对静电拉链的局部控制实现的，静电拉链是界面内液体流动的主要机制。

图5. 用户研究中计划的触觉模式及参与者在三项使命中的混淆矩阵：动态触觉模式的识别、感知外貌粗糙度的区分，以及外貌纹理和变形形状的识别。(A) 顺时针旋转模式作为动态触觉模式的一个实例，包括其鼓励序列。(B) 动态触觉模式识别测试的混淆矩阵。© 带有可定位振动的分裂形状。(D) 外貌纹理区分测试的混淆矩阵。(E) 六种形状和纹理变革的触觉刺激，用于用户研究。(F) 形状和纹理识别测试的混淆矩阵。

图6. 多功能形状变换触觉显示器的物体操控。(A) 通过液流引起的惯性实现的高速物体传送。(B) 物体操控，从视频S7中选取的帧。比例尺，10 mm。 03文献来源Seung-Yeon Jang et al. ,Dynamically reconfigurable shape-morphing and tactile display via hydraulically coupled mergeable and splittable PVC gel actuator.Sci. Adv.10,eadq2024(2024).DOI:10.1126/sciadv.adq2024

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