中国科学家致力于让触摸屏幕具备二维触觉反馈，网购隔着手机屏也可“摸质感”，未来将建...
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想象一下，你的手机屏幕上有六根吉他弦的图像，使用一种名叫表面触觉的技术，可在吉他弦对应的区域，有针对性地增加摩擦力，这时你就能真实感受到虚拟的吉他弦。
在网上购买桌布时，表面触觉可在一定程度上于触屏表面复现不同布料的触感，从而让你轻松体验产品的触觉信息。对盲人来说，由于视觉信息的缺失，这种更好的触觉反馈可为他们提供更多便利。
（来源：Advanced Materials）
这是香港理工大学助理教授马源和德克萨斯 A&M 大学辛西娅·希普韦尔（Cynthia Hipwell）教授近期的论文成果。日前，相关论文以《纳米结构形状和表面能对电粘附人机界面性能的影响》（Nanotexture Shape and Surface Energy Impact on Electroadhesive Human–Machine Interface Performance）为题，发表在 Advanced Materials 上，并成为当期封面论文[1]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
其中，德克萨斯 A&M 大学博士生李忻怡担任共同第一作者，马源担任共同第一作者及共同通讯作者，希普韦尔担任共同通讯作者。
图 | 左为马源；右为李忻怡（来源：资料图）
深入解释电粘附控制的摩擦力，以及和屏幕表面形貌之间的关系
马源和李忻怡表示，该研究主要解释了电粘附控制的摩擦力、与屏幕表面形貌之间的关系。电粘附增强摩擦力，可在手机、平板电脑、汽车触屏等触屏表面实现力学反馈，让用户获得触感反馈等体验。在触屏上的体验效果远胜于现有的偏心电机或线性马达所能带来的触感反馈。
（来源：Advanced Materials）
尽管早在 20 世纪 20 年代，人类就已经发现电粘附增强摩擦力的现象，国内外学者也对该现象开展了研究，但针对手指与电粘附屏幕之间的复杂界面，却从未有过细致且全面的分析。
其原因在于，手指与电粘附屏幕界面包含接触力学、毛细力、范德华力、静电场等多种物理因素，因此建模分析难度很高。然而，一旦缺少深入分析，就无法完善现有的电粘附屏幕。
具体来说，当前的电粘附屏幕尽管可在一定条件下，去调控手指在屏幕上感受到的摩擦力，进而使用户感知到虚拟材质、虚拟按钮。但在不同环境下，不同用户的体验效果不一致、且不够稳定，主要原因有环境湿度、手指出汗等。
要想让虚拟触觉产品面向广大用户，就要对屏幕在微米、纳米尺度的形貌和粗糙度进行精细设计和优化。但是，由于屏幕形貌的参数众多，盲目调整参数无法达到理想效果。
因此，研究团队对手指接触屏幕界面进行了多物理耦合建模，并综合分析接触力学、毛细力、范德华力、静电场等物理因素对摩擦力调控的影响，最终根据这一模型，提出了屏幕界面形貌的改进方向，进而获得更好、更稳定的摩擦力调控效果，为电粘附摩擦力调控触屏的商业化奠定基础。
（来源：Advanced Materials）
从实际触觉体验出发，立项并研究界面多物理问题
该研究立项前，李忻怡、马源等人先体验了基于电粘附的摩擦力调控的触屏样品，结合自身触感他们认为该技术具有巨大潜力。
同时他们也发现，由于手指出汗、环境湿度温度波动等因素，目前距离商业成功还有一定距离。因此，他们决定立项并深入研究界面的多物理问题。
立项之初，首先要精确测量手指的摩擦力。对于手指摩擦力，我们中学所学的“摩擦力等于摩擦系数乘以正压力”的库伦摩擦模型并不适用（注：该模型为纪念法国物理学家查利·奥古斯丁·库仑（Charles-Augustin de Coulomb）而命名）。
相反，所受压力大小、滑动速度、环境湿度、手指表面汗液及油脂等因素，都会影响手指摩擦力。因此，该团队搭建出测量手指摩擦力所需的实验装置，这套摩擦机能保证手指在摩擦屏幕时具有恒定的压力，并且可以实时控制实验环境的湿度、温度。
（来源：Advanced Materials）
同时，他们还对手指接触触屏表面进行了综合建模。建模时的难点在于需要同时考虑触屏微纳米尺度的形貌、毛细力、静电场、范德华力等诸多物理因素，并且要把这些因素进行统一。
比如，手指在接触界面时，皮肤会发生变形，而变形会挤压内部的水分、汗液和油脂，这些液体产生的毛细力，又会反过来影响手指皮肤的变形，而静电场和皮肤变形也有类似的相互影响。
为研究清楚这些相互影响，马源对这些因素进行单独建模，并利用数学迭代方法将所有因素间的相互作用进行整合。
进一步地，他们还比较了模型所预测的摩擦力和实验测试得到的摩擦力，发现两者具有一致性，这意味着模型可靠性已得到验证。最后根据该模型，李忻怡、马源等人又对屏幕的微纳米尺度表面形貌参数进行了优化，最终获得了更强的电粘附效果，以及受环境湿度和出汗影响最小的表面形貌。
（来源：Advanced Materials）
基于电粘附的摩擦力调制缘何脱颖而出？
目前表面触觉设备主要分为两类，一类通过调控屏幕表面摩擦力，另一类通过屏幕下方振动，其振动频率一般在 100~200Hz 左右，以此让用户感受到不同的触觉。
在调控屏幕摩擦力的方法中，主要有电粘附调控和超声振动调控，超声振动调控是将整块屏幕以大于 20kHz 的频率振动，并以此来降低手指在屏幕上的摩擦力。
无论是屏下低频振动还是超声振动，都需要整块或大面积的屏幕振动，这对触屏的可靠性非常不利，对能耗也有较大要求。而且，超声振动只能减小手指与屏幕间的摩擦力，对摩擦力的调控范围较为有限。
相比以上两种工作原理，电粘附的摩擦力调制无需结构振动和变形，可靠性更高、能耗更低，更符合人们对成熟电子产品的期待。
（来源：Advanced Materials）
如前所述，该研究提出的多物理场模型，涵盖多个物理因素。利用该模型，可预测不同表面形貌的电粘附屏幕的性能和稳定性，使得新产品开发不再依赖于冗长的“试——错”过程，此外还可加速新表面的优选。
同时，考虑到接触力学、毛细力、范德华力等因素跟手指的接触紧密相关，因此该模型对其他类型的表面触觉设备、以及其他有关手指摩擦力的研究都有借鉴作用。
一旦技术成熟，表面触觉具有非常广阔的应用前景。未来若干年内，所有的触摸屏幕都可具有二维的触觉反馈。
目前的手机当处于振动模式时，其振动反馈是一维触觉反馈，无论点按到哪里，只要有反馈，整个手机都会振动。而表面触觉技术可让触觉反馈出现在需要的地方。除了应用于文章开头的场景，表面触觉技术也可用于在线购物、远程教育、助盲、娱乐等领域。
未来将建立更完备的多物理场模型
基于该研究，未来马源和团队将进一步考虑手指表面的微纳米尺度形貌，给表面触觉效应带来的影响，并将建立更完备的多物理场模型。
还将在不同表面形貌设计下，利用深度学习算法更快捷地预测表面摩擦力调控的效果，以此为依据可设计并制备出微纳米表面结构更复杂的触觉表面，让触觉成为继视觉、听觉之后又一种可表现在屏幕上的有效反馈手段。
另一方面，他们将利用该模型去设计多种商品的包装材料，比如食品、化妆品、生活用品等。新包装材料的设计，会更侧重用户触摸这些材料的直观感受，如某些化妆品的“高级感”。
更进一步，包装材料的触感也设计得和包装产品相对应，比如让不同红酒标签、或瓶身摩擦力设计得有所区别，以体现红酒的丝滑口感或厚重口感。
据介绍，第一作者李忻怡，在武汉大学和法国里昂第一大学分别获得物理学及力学学士学位，目前在美国德克萨斯 A&M 大学读博。
作为共同第一作者和共同通讯作者的马源，其本硕期间就读于清华大学机械工程系，后在加州大学伯克利分校获得博士学位。2021 年 8 月，他回国加入香港理工大学任职助理教授。
-End-
1、Li, X., Ma, Y., Choi, C., Ma, X., Chatterjee, S., Lan, S. & Hipwell, C., Advanced Materials. 33, 31, 2008337.
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