新加坡国立大学研究新型触觉口腔垫!

【研究背景】

随着智能设备和触摸屏技术的迅猛发展，人们对交互方式的需求不断增加，尤其是在打字、游戏和设备操作等领域。然而，传统的触摸屏设备对于行动受限的用户存在一定的局限性，如在手术过程中可能带来的污染风险和对身体的局限性。这些问题引起了对替代技术的关注，尤其是柔性触觉传感器和非接触式控制技术的发展。

柔性触觉传感器作为一种新兴的技术，可以通过传感器阵列将触觉信息转化为数字信号，从而实现各种控制功能。这些技术被应用于语音识别、眼睑追踪、头部运动追踪以及动作识别等领域，但它们往往缺乏触摸屏的灵活性和直观性。例如，语音识别在嘈杂环境中可能不够实用，而软触觉传感器在转换压力模式时也存在一定的局限性，难以支持广泛的人机交互任务，如操作鼠标、键盘或轮椅。

为了解决这些问题，科学家们提出了一些创新的解决方案。例如，舌头控制的技术由于其直观性和较低的集中注意力要求，成为一种有前景的替代方案。已有研究开发了舌头驱动器和感应舌头-计算机接口，但这些方法仍需要改进以提高适应性和舒适性。

本研究致力于解决现有技术中的不足，新加坡国立大学化学系Luying Yi & Xiaogang Liu研究组携手提出了一种新型的触觉口腔垫（oPad）。该设备由碳纳米管和硅胶复合材料制成的触摸传感器阵列、用于数据采集和传输的微型柔性电路，以及生物兼容的保护壳组成。oPad可以通过舌头滑动和牙齿咬合实现类似手指的触摸控制功能，并结合循环神经网络（RNN）实现高效的模式识别。通过这种设计，oPad能够在低于50kPa压力的舌头滑动和超过500kPa压力的牙齿点击之间进行协调控制，从而支持打字、游戏和轮椅导航等多种应用。这一创新解决了传统触摸屏技术在特定应用场景中的局限性，提供了一种灵活、直观且适应性强的人机交互方式。

【表征亮点】

（1）实验首次设计并实现了一种触觉口腔垫（oPad），该设备采用碳纳米管和硅胶复合材料制成的触摸传感器阵列。通过舌头滑动和牙齿点击的协同控制，该口腔垫能够模拟触摸屏的功能，并实现了类似手指的触控操作。

（2）实验通过结合循环神经网络（RNN）对oPad的传感数据进行实时处理，实现了对复杂触摸模式的识别。具体结果包括：

• oPad成功应用于打字、游戏和轮椅导航等任务，通过舌头滑动（低于50kPa压力）和牙齿点击（超过500kPa压力）的精确控制，显示出其在不同操作场景下的适应性。

• 触觉口腔垫能够检测各种压力模式并将其转换为具体的控制命令，相比传统的电子设备，其在柔性和直观性方面展现了更高的性能。

• 传感器阵列的高灵敏度和高分辨率使得oPad能够捕捉到精细的舌头和牙齿动作，从而实现精准的控制和操作。

【图文解读】

图1：具有可编程触摸模式的触觉oPad，通过协调的咬牙和滑舌实现人机交互。

图2：微结构化碳纳米管/硅胶压阻传感器的表征。

图3：通过咬牙和滑舌的协同控制实现基于卷积神经网络的模式识别。

图4：模拟无线鼠标和触摸屏功能。

图5：在辅助技术演示中的触觉oPad。

【科学启迪】

本文的研究为生物医学机器人技术的进步提供了新的思路。通过开发一种基于碳纳米管和硅胶复合材料的触觉口腔垫，研究者们成功将舌头和牙齿的动作转化为触摸屏控制信号。这种触觉口腔垫具有灵活的触摸传感器阵列，能够检测多种应变，并通过结合循环神经网络，实现了对打字、游戏和轮椅导航等任务的高效控制。

传统的触觉输入设备通常依赖于手指操作，而口腔垫的设计突破了这一限制，提供了一种新的交互方式。这一创新不仅提升了行动受限人群的交互能力，还为触觉输入技术的多样化应用开辟了新的方向。结合舌头滑动和牙齿点击的控制方式，使得用户能够在不同的压力范围内进行精确操作，这种细致的控制能力在传统电子设备中难以实现。此外，该系统的开发展示了如何利用生物特征的独特优势，优化人机交互的灵活性和智能性，为未来可穿戴技术和智能设备的发展提供了重要参考。

参考文献：Hou, B., Yang, D., Ren, X. et al. A tactile oral pad based on carbon nanotubes for multimodal haptic interaction. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01234-9