北航新闻网7月29日电（通讯员 王丹）日前，北航机械工程及自动化学院王党校教授团队在高分辨率触觉显示技术领域取得新突破。针对现有触觉显示装置在呈现复杂触觉图案或精细纹理方面的局限，团队创新性地提出了一种基于三维倒金字塔结构微流体网络的高空间分辨率触觉显示系统。相关成果以“A Multi-Layer Stacked Microfluidic Tactile Display With High Spatial Resolution”为题发表在触觉领域国际权威期刊IEEE Transactions on Haptics (ToH)上，并荣获该杂志2024年度“最佳应用论文奖”（IEEE Transactions on Haptics Best Application Paper Award）。该奖项旨在表彰论文在质量、创新性和影响力方面的卓越表现，以及其对触觉领域发展的重大贡献。北航机械工程及自动化学院博士生单博学为论文第一作者，王党校教授为论文的通讯作者，北航机械工程及自动化学院为论文第一完成单位。
图1 具有高空间分辨率的多层堆叠微流体触觉显示器
触觉是人类最基本的感官之一，它使我们能够感知并体验周围的世界。通过触摸物体表面的三维拓扑形貌，人们可以完成如阅读盲文、感知布料纹理、欣赏雕塑等一系列触觉交互任务。气动触觉显示器通过重构装置表面的微观形貌，模拟真实世界的纹理特征，从而为用户提供丰富的触觉体验。现有触觉显示装置面临诸多瓶颈：在狭小空间（指尖）内高密度集成气动致动器对流体网络布线提出巨大挑战，限制了触觉显示空间分辨率的进一步提升；传统触觉显示装置的刚性结构无法与弯曲表面共形集成，限制了触觉显示技术的推广和应用。
针对以上挑战，王党校团队结合3D微流体结构设计和先进多层软光刻工艺，创新性地提出了一种基于三维倒金字塔流体网络的高分辨率触觉显示器。不同于传统的单层流体布线策略，该策略按照“由内向外、自下而上”的原则排布流体通道，即将阵列外围单元的气路层叠于内部单元之上，从而在有限垂直空间中实现了无干扰的气路布局。这一策略有效提升了气动执行单元的集成密度，同时保持了每个执行器的独立可控性，为构建高分辨率的触觉纹理显示系统提供了关键技术支撑。进一步，研究团队结合该立体微流体布线策略，开发出一款空间分辨率达1.25 mm、可匹配指尖感知阈限的柔性微流体触觉显示器。该装置采用多层软光刻工艺制备，通过多层堆叠实现了高密度微流体驱动单元的柔性集成，兼具高分辨率、柔性与高扩展性等优势，显著提升了触觉纹理的显示精度与场景适应性。
研究团队在不同输入压力条件下对微流体触觉驱动器进行了系统性能评估，结果表明该触觉显示器能够在稳定变形、高重复性和快速响应等方面实现鲁棒的触觉反馈性能，满足复杂触觉纹理重建和动态交互需求。最后，研究团队通过一系列主观实验验证了该触觉装置在模拟纹理图案方面的有效性。实验设计包含8种典型触觉模式，通过5×5驱动器阵列（空间分辨率为1.25 mm）在100 kPa气压下动态生成，受试者可以轻松分辨出八种触觉图案，准确率高达96%，充分证明了该装置在高分辨率触觉图案呈现中的可行性与实用价值。
图2 不同流体管路走线布局策略的对比
图3 高空间分辨率微流体触觉装置整体性能评估
图4 高空间分辨率微流体触觉装置用户实验验证
该研究聚焦于触觉交互领域对高分辨率、柔性显示设备的迫切需求，旨在突破传统触觉装置在空间分辨率、集成度和适应性等方面存在技术瓶颈。通过创新性提出三维倒金字塔式立体布线策略，并结合多层微流体软光刻工艺，该团队研究构建出一款空间分辨率达1.25 mm的柔性触觉纹理显示器。这一装置在国际上率先实现了气动驱动器在超高密度下的柔性集成与稳定驱动。通过系统评估与用户识别实验，验证了该显示器在模拟真实纹理信息方面的高保真度与高准确性，展示了其在虚拟现实、辅助感知、精细交互等应用场景中的广阔前景。团队的研究成果为指尖精细触觉呈现的柔性器件提供了全新的技术范式，具有重要的工程应用和技术推广价值。该成果获得IEEE Transactions on Haptics最佳论文，评奖委员会评价如下：“Develops a novel 3D microchannel design for a high-resolution fingertip tactile display, demonstrating how finely pneumatic actuators can be integrated into the compact area of the fingertip.”相关研究得到了国家自然科学基金“支持智能汽车屏幕触觉反馈的主动电子皮肤”（62373021）的资助。
IEEE Transactions on Haptics（简称ToH）是触觉与力反馈领域最具影响力的国际期刊之一，隶属于IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气与电子工程师协会）旗下核心期刊。ToH每年出版四期，每期约收录8–12 篇高质量论文，内容涵盖触觉感知、力反馈接口、触觉建模、感测与显示技术等多个方向。自2017年起，ToH每年评选一篇“最佳应用论文”（IEEE Transactions on Haptics Best Application Paper Award），以表彰在实际应用中具有显著影响力的高水平研究。这是该奖项首次授予由中国学者主导的研究成果，标志着中国学者在国际触觉研究应用领域的重要突破与广泛认可。
文章来源：B. Shanet al., “A Multi-Layer Stacked Microfluidic Tactile Display with High Spatial Resolution,” inIEEE Transactions on Haptics, vol. 17, no. 4, pp. 546-556, Oct.-Dec. 2024, doi: 10.1109/TOH.2024.3367708.
（审核：从保强）
编辑：贾爱平
