动态电流比率控制与生物物理建模在个性化电触觉感知中的应用

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Dynamic current ratio control and biophysical modeling for personalised electro-tactile perception

虚拟现实与人机交互技术快速发展，对触觉反馈的真实性和用户体验提出更高要求。电触觉反馈技术因微型化、高响应和低功耗优势成为重要手段，但存在手指生理结构建模精度不足、个体差异适应能力弱、系统集成效果差等问题。尤其复杂触觉模式下单电极结构存在电流扩散大、空间分辨率不足的缺陷。本研究提出中心-外围协同电极阵列，通过外围辅助电极约束电流路径，减少相邻通道电流扩散，提升触觉感知精度。基于有限元分析构建了手指多层组织结构电流传导与触觉响应高精度模型，揭示了动态调节抑制与刺激电流幅值比例实现振动与压力触觉的调制方法，可适配不同用户个性化需求。开发了软硬件协同的多维电触觉反馈系统，实验表明触觉真实感和舒适度提升达39.4%，有效解决了个性化适配难题。

　　

摘要

虚拟现实和人机交互技术的快速发展对触觉反馈技术的真实感和用户体验提出了更高的要求。由于电触觉反馈技术具有小型化、高响应性和低功耗等优点，它已成为实现虚拟触觉交互的重要手段。然而，当前的电触觉反馈技术在手指生理结构建模精度、个体差异适应能力和系统集成效果方面仍存在显著不足。特别是在复杂的触觉模式下，传统的单电极结构存在电流扩散严重和空间分辨率不足等问题。为此，我们提出了一种中心-外围协同电极阵列，该阵列利用外围辅助电极来局部限制和引导电流路径，有效减少了相邻刺激通道之间的电流扩散，提高了电刺激的空间聚焦能力和触觉感知精度。基于此，我们构建了一个高精度的手指生物物理电触觉反馈仿真模型。通过对手指多层组织结构的有限元分析，准确描绘了组织内的电流传导和触觉响应特性。仿真研究揭示了一种动态电刺激模式调节方法，通过适当调整抑制电流与刺激电流幅度的比例，可以稳定实现振动和压力两种主要的触觉感知模式，并能适应不同用户的个性化需求。进一步开发了一种具有硬件和软件协同作用的多维电触觉反馈系统，并通过受试者实验进行了全面验证。结果表明，与传统方法相比，该系统显著提升了触觉真实感和用户舒适度，主观评分提高了39.4%，有效解决了电触觉反馈中的个性化适应问题。总之，本研究为沉浸式虚拟现实和人机交互系统中触觉反馈技术的发展提供了新的理论基础和实践方法，具有广泛的应用前景。