弹性可微调，基于LCN光敏材料的触觉模拟系统

业界作者：青亭网 2023-01-23 19:16:00

Esther | 编辑

对于AR/VR体验来讲，体感、触觉模拟很重要，但现阶段还没有一种方便消费者使用、轻便的体感方案，因此Meta等公司不断在探索更好的体感技术。比如近期，Nature发表了一项来自荷兰埃因霍芬理工大学的新研究，该研究由Meta Reality Labs Research资助，涉及了一种自适应模量的光敏材料，可应用来模拟体感反馈。

基于LCN原理

据了解，液晶聚合物网络（LCN）是一种薄膜状材质，其具有独特的结构特性，可对外界刺激做出响应，从而实现器件驱动。该材质可作为智能制动器，在发动机、流体推动器、软体机器人等领域广泛应用。

LCN具有自适应模量，是一种火星表面材料，它支持预定义、冻结、后期调整分子顺序，因此材料本身的宏观特性也可以动态变化。

而荷兰埃因霍芬理工大学研发的光敏材料，便是利用了LCN的特性，来模拟体感反馈。

研究背景

科研人员指出，由于机器人技术、医学远程控制、AR/VR、智能电子产品快速发展，对人工合成触觉反馈的需求增大。目前，市面上有多种合成触觉的方案，探索了多种不同的技术，比如机械振动、响应聚合物、MEMS微电机系统、帕尔贴元件、激光、超声波、气动、喷气、表面声波、静电等等。

尽管触觉反馈技术在不断发展，但市面上的方案在稳定性、时空分辨率方面仍面临挑战。为了解决这一问题，科研人员开始探索LCN动态涂层方案，该方案具有高分辨率（微米级），可根据外部刺激改变特性并提供体感反馈，比如在被触摸的位置变形，或是从干性表面变成湿润表面。这些特性变化发生在材料本身，因此可合成逼真、直接的触觉。

由于触觉属于人类五感，可通过皮肤的力、位置、压力感受器来实现，其作用是辅助手部操作、感知和动觉交流，帮助人与物理/虚拟环境交互，以及导航。通过触觉，你可以感受物体的形状、硬度、粗糙度、质地和温度信息。

包含AFM悬臂、LCN图层、玻璃光掩模、紫外线LED、电线等元件

在这项研究中，科研人员应用具有光响应性的LCN材料作为动态涂层，可通过外部光刺激改变弹性特征，其高分辨率的局部自适应模量变化范围可达2微米。据悉，该材料可自适应功率强度50-90mW/cm²之间的紫外线，面对90mW/cm²功率的365纳米紫外线，弹性模量可降低87%。

通过动态改变弹性，这种LCN材质可更好的模拟施加在皮肤上的表面压力。

原理细节

这项方案采用了低摩尔质量液晶材料丙烯酸酯，其优势是易于定向，适合作为涂料。由于丙烯酸酯的加工粘度低，它可以很好的涂在一些复杂的几何形状上。在涂层过程中，若已建立所需的分子排列，便可通过光聚合原理来固话LC单体结构的分子组织。

后续LCN的分子排列顺序仍然可以改变，分子顺序变化也会改变聚合物特性，比如湿润性、弹性模量、玻璃化的转变温度、密度等等。

目前，市面上已经有人工合成的自适应模量材料，这种材料在经历热、光、电等外部刺激后，分子会重新排列。而LCN光敏材料对光的响应性，则是依赖于含偶氮苯分子。利用这种特性，科研人员开发出具有形状记忆的LCN材料（加入了少量含偶氮苯的二丙烯酸酯），该材料在接受光刺激时模量会变化。

除此之外，科研人员还展示了在LCN材料结构中加入荧光染料，大幅放大器模量（涂在玻璃表面上模量可提升280%），并展示了自适应模量效应从独立薄膜到涂层的转化，以及应用于样品局部位置的效果。

该材料的弹性可微调（由UV功率强度控制），而且分辨率很高（约2微米），因此可传递复杂的触觉信息。将这种材料应用于现有的设备，可为其添加触觉通信功能。值得注意的是，有该材料的模量变化局部可调，它可以很好的用来空间解析复杂的触觉信息。

而该方案可通过光刺激实现软化，由于在热力学平衡时存在大量反式异构体，所以该材质仅能投射少部分365纳米光，这减少了紫外线接触人体的危害。此外，还实现了更高的能效，和更低的散热。

参考：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-24106-8#Fig1

（ END）