澳门大学钟俊文等：用于VR环境中的非接触式轻薄柔性微风感发生器

研究背景

随着虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)技术的迅速发展，人机交互(HMI)成为连接人类与数字世界的重要窗口。现有的触觉反馈设备大多依赖与皮肤接触反馈，缺乏非接触式的触觉反馈设备。目前，为了提升用户的沉浸感，研究者们致力于开发多种触觉反馈设备，尤其是轻薄、柔性且符合人体工程学的可穿戴设备。然而，现有的非接触反馈设备(如超声波反馈设备)通常体积大、重量重，难以集成到VR设备中。因此，开发一种轻薄、安全、柔性且易于集成的非接触式触觉反馈设备成为解决这些问题的关键。

Thin and Flexible Breeze-sense Generators for Non-contact Haptic Feedback in Virtual Reality

Kaijun Zhang, Zhe Liu, Yexi Zhou, Zhaoyang Li, Dazhe Zhao, Xiao Guan, Tianjun Lan, Yanting Gong, Bingpu Zhou, Junwen Zhong*

Nano-Micro Letters (2025)17: 144

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01670-y

本文亮点

1. 微风感发生器产生显著的空气流动压力输出，约为163 Pa，人体皮肤可以轻易感知，并且整体厚度大约为1毫米。

2. 志愿者成功识别出由发生器阵列传输的多种编程模式。

3. 一种可穿戴的微风感反馈系统在虚拟现实环境中有效地提供了连续或突发的微风感觉。

内容简介

在虚拟现实(VR)领域，触觉反馈对使用者提升沉浸式体验至关重要，但现有可穿戴设备主要依赖皮肤接触反馈，缺乏轻薄、紧凑、且非接触的触觉反馈方案。针对这一挑战，澳门大学钟俊文等人提出了一种基于压电驻极体执行器的非接触式微风触觉发生器，其厚度仅约1毫米，可产生高达163 Pa的气流压力，显著增强用户对虚拟环境中连续或突发气流的感知。这种非接触反馈装置可集成在可穿戴VR设备上，并通过多编码模式实现非接触信息传输，展现了其在人机交互中的潜力。

图文导读

I 轻薄柔性微风感发生器设计策略

图 1a 展示了所提出的可穿戴微风感反馈系统的原理图。具体而言，当用户在虚拟现实环境中遇到有微风的场景时，微风感发生器将被激活，产生用户可感知的轻柔微风。微风感发生器可以集成到虚拟现实头戴设备或纺织品中，为人体的多个部位提供反馈。微风感发生器的多层结构(图 1a 上方左图的分解图)由带孔的负极化上层聚四氟乙烯(PTFE，100 μm 厚)/银(Ag，15 – 20 μm 厚)层、由厚度为0.75 mm的TPU 95A 制成中部支撑层，用于形成内部腔体以及带正电荷的底层 PTFE/Ag 层组成。图 1b 和图 1c 分别展示了柔性微风感知发生器的图像和横截面扫描电子显微镜(SEM)图像，该 2×2 cm2 的设备厚度约为 970 微米，重量约为 0.45 g。微风感发生器是一种压电驻极体致动器(图 1a 下方左图)。当施加交流电压时，顶部和底部的聚四氟乙烯/银层之间的静电力会产生 Z 方向的体积压缩和恢复，通过电晕充电法产生的电荷组成的电偶极子与直流偏置电压具有相同的效果，从而降低了驱动电压。这种周期性的体积压缩和恢复运动促使装置内部的空气通过上层的打孔流出，从而产生的气流刺激触觉感受器和毛囊感受器，使用户感受到微风感。值得注意的是，我们装置的非接触式工作模式确保了可穿戴应用中的安全性和舒适性。此外，TPU 支撑的 4 个边界处设计了压降阀，以减少阻碍装置恢复运动的负压(图 1c)。该装置佩戴在手臂上的图片如图 1d 所示，PDMS 框架用于防止装置接触皮肤或汗液进入装置。PDMS 框架也用于装置阵列，并添加了保护边缘以保护用户安全。尽管装置靠近皮肤，但振动不会产生热量或噪音。

使用面积为 5×5 cm2 的商用 PVDF 制成的压电压力传感器来测量由微风感应器产生的气流压力。如图 1e 所示，气流压力输出随驱动电压和装置的有效工作面积增加而增大，在工作面积为 64 cm2、驱动电压(Vₚ₋ₚ)为 800 V、共振频率为 50 Hz、测量距离为 1 厘米的情况下，可产生约 163 帕的最大风压。需要指出的是，正常呼吸运动产生的气流压力低于 150 帕。因此，微风感发生器的输出很容易被人体皮肤感知。图 1f 生动地展示了产生的气流。在驱动 Vₚ₋ₚ 为 500 V、频率为 160 Hz 的情况下，一个 4×4 cm2 的装置能将一张纸吹起约 4 mm的高度。需要强调的是，微风感发生器在使用时无需与皮肤接触，且靠近人体皮肤的装置表面也接地(该表面未施加高电位)，因此该装置非常安全，不会对人体造成伤害。

图1. 概念与设计策略。a 展示所提出的可穿戴微风感反馈系统的示意图，右侧部分展示了利用微风感发生器为人体多个部位提供反馈，左侧部分展示了微风感发生器的详细结构和工作原理。b 展示工作面积为 2×2 cm2的微风感发生器的图像。c 微风感发生器的横截面扫描电子显微镜图像。d 展示佩戴在人体手臂上的 2×2 cm2微风感发生器的图像。e 由商用 PVDF 传感器记录的不同工作面积和驱动电压的设备产生的气流压力输出，每个设备均在共振频率下工作，测量距离为 1 cm。f 展示由交流电压(Vₚ₋ₚ=500 V，频率=160 Hz)驱动的 4×4 cm2微风感发生器将一张纸吹起至 4 mm高度的图像。

II 轻薄柔性微风感发生器的性能优化

在固定的驱动频率下，我们在增加顶部和底部PTFE/Ag层的振动幅值往往可以有效地增加气流压力输出。因此，我们使用7.5 W激光切割PTFE和TPU接触的边界，如图2a所示。切割后，在聚四氟乙烯的边界上出现了~ 50 μm深、~ 50 μm宽的切割痕迹。与未激光处理过的PTFE相比，经过激光切割后振动幅度平均增加35%，其中振动位移是用激光多普勒振动仪(LDV)测量的，如图2b所示。具体而言，在低驱动电压区域，振动幅值的改善是显著的。

为了进一步研究该装置的振动，利用扫描LDV测量了一个4*4 cm2微风感发生器的整个表面振动层。图2c为频率为160 Hz、Vₚ₋ₚ为500 V时顶层的振动位移分布，最大位移发生在这一层的中心，达到~ 125 μm。在相同条件下，下部振动位移的最大值也出现在中心位置。图2d显示了在固定频率为160 Hz和Vₚ₋ₚ范围为100-1000 V时顶层和底层的最大位移。由于顶层打孔后的振动阻尼较小，因此其振动位移比底层大。当固定Vₚ₋ₚ为500 V，频率为1-300 Hz时的最大位移和气流压力输出如图2e所示。该器件的最大输出时驱动频率为160 Hz，在接下来的测量中，我们通常以相应的谐振频率驱动不同工作区域的器件。

事实上，从风感发生器中挤出内部空气后，内部压力变得更小。这对设备的恢复过程产生了显著的振动阻力，如图2f所示。因此，我们在TPU支架的4个边界处构造压降阀，这样既可以减小进风阻力，又不会显著降低挤出气流的流量(图2g)。为了更深入地了解压降阀的功能和效果，我们开发了一个三维多物理场有限元模型。顶层的振动波形，近似为正弦波。因此，在采用流固耦合方法的仿真模型中，利用振动位移对顶层层流产生的压力进行了评估。具体来说，在仿真中，我们输入LDV试验得到的顶层和底层位移(Vₚ₋ₚ = 500 V，频率= 160 Hz)。图2h和图2i分别为添加压降阀前后距离微风感发生器顶层1cm处的平面压力分布情况。仿真结果表明，在相同驱动条件下，跨TPU支架边界的压降阀可以有效地提高气流压力输出。该阀可将输出的气流压力提高约100%。

图2. 轻薄柔性微风感发生器的性能优化。a 激光切割PTFE/Ag层的过程示意图，以及激光切割和无切割情况下的振动。b 在Vₚ₋ₚ范围为100-1000 V，固定频率为160  Hz 时，激光切割和不切割情况下PTFE/Ag层的振动位移。c 4*4cm2 微风感发生器(Vₚ₋ₚ = 500 V，频率= 160 Hz)顶层振动位移分布。d 4*4 cm2微风感发生器(Vₚ₋ₚ = 100-1000 V，频率= 160 Hz)上下两层中心振动位移。e 4*4 cm2微风感发生器(Vₚ₋ₚ = 500 V，频率= 1-300 Hz)的气流压力输出和振动位移表示谐振频率。原理图f(无降压阀)和图g(有降压阀)展现了微风反馈器的伸缩过程，以及对应的气压变化。模拟结果h(安装降压阀之前)和i (之后) 展现了在距离表面1cm处测得的压力分布情况。

III 轻薄柔性微风感发生器关键参数

在输出测试(图 3a)中，我们将 PVDF 传感器放置在距微风感应器适当距离处，然后将其连接到 NI 数据采集设备。同时，微风感生成器的驱动条件由波形发生器和电压放大器控制。测试环境中使用了一个透明的亚克力盒以防止其他气流干扰。除非另有说明，测试装置的工作面积为 4×4 cm2，驱动频率固定为 160 Hz，驱动电压(Vₚ₋ₚ)为 100 至 1000 V。

顶层的打孔对输出性能有关键影响。图 3b 显示了我们定义的孔径和孔心间距。打孔数量主要影响聚四氟乙烯驻极体薄膜上存储的电荷量，因为打孔数量增加会减少实际工作面积。如图 3c 所示，对具有不同数量穿孔的微风感应发电机的输出压力值进行了测试，当穿孔数量为 5×5 阵列，孔径为 2 mm，孔心间距为 2.5 mm时(Vₚ₋ₚ = 900 V)，峰值输出压力约为 40 Pa。在后续的实验中，基于 5×5 阵列的孔数，我们通过调整孔心间距和孔径进一步优化输出压力。PTFE/Ag 层中孔的分布会影响振动过程中挤出气流的方向和体积。由于顶层的中心区域具有最大位移(图 2c)，孔在中心过于集中会使最有效的工作区域消失，降低装置的整体振动，进而装置无法有效压缩内部气腔。孔分布过于分散会阻止挤出气流集中，导致大部分能量消耗在表面湍流中，无法形成有效的层流，进一步降低性能。当孔中心间距为 6.5 mm且孔径为 2 mm时，压力输出达到最大值约 77 Pa，如图 3d 和图 3e 所示。另一个关键参数是构成装置内部气腔的 TPU 支撑层的厚度。当 TPU 支撑层过薄时，气腔空间不足，在工作过程中顶部和底部的 PTFE/Ag 层会接触，导致正负电荷中和。若 TPU 支撑层过厚，静电作用力则不足以产生较大的振动位移。如图 3f 所示，当 TPU 支撑层厚度为 1.4 mm时，可获得最大气流压力约 77 Pa。需要指出的是，当驱动 Vₚ₋ₚ 为 1000 V时，单个装置的功耗仅为4 mW左右。

此外，为了证明这种风力感应发电机具有良好的柔韧性，我们设计了可将执行器弯曲至多种不同角度的支架。图 3g 显示，当弯曲角度达到 50°时，输出气流压力仍为正常状态的 50%以上。气流压力输出随测量距离的增加而减小。图 3h 绘制了不同距离和驱动电压下的压力输出。为了让产生的气流能被明显地感知，我们让执行器与传感器(或志愿者)之间的距离保持1cm，这也符合正常的穿戴情况。图 3i 展示了微风感发生器连续工作 5 小时(Vₚ₋ₚ = 500 V，频率 = 160 Hz)的稳定性测量结果。输出变化小于 10%，表明其出色的输出稳定性对于实际应用至关重要。此外，微风感发生器的输出压力不受正常湿度(< 70 %RH)和温度(20 – 50 ℃)的显著影响。

图3. 关键参数优化。a 空气流压力测量装置示意图。b 孔径及孔心间距示意图。c 不同孔数的微风感发生器输出压力值。d 孔心间距变化时微风感发生器的输出压力值。e 孔径变化时微风感发生器的输出压力值。f  TPU 支撑厚度变化时微风感发生器的输出压力值。g 弯曲角度变化时的归一化输出压力值(Vₚ₋ₚ = 500 V)。h 测量距离与输出压力值的关系。i 连续工作 5 小时的输出压力值(Vₚ₋ₚ = 500 V)。除非另有说明，测试装置的工作面积为 4×4 cm2，驱动频率固定为 160 赫兹，驱动电压 Vₚ₋ₚ 为 100 至 1000 V。

IV 使用轻薄柔性微风感发生器传输编码信息

为了验证微风反馈对人类皮肤感受器的影响，图 4a 展示了在志愿者测试中设置的 6×6 cm2 微风感发生器的示意图，以及手放置的位置(1 厘米)。发生器的尺寸设计为覆盖人类手掌的最大面积。在测试过程中，五名志愿者在固定驱动电压(Vₚ₋ₚ = 1000 V)的情况下，感受不同驱动频率(1 – 300 Hz)下的气流压力，并找出他们能感受到最强反馈感的频率范围。大多数志愿者在 70 至 90 Hz的频率范围内感受到最大的气流压力，如图 4b 所示。这些结果与 6×6 cm2微风感知发生器的共振频率相符。此外，在最敏感的频率范围内，我们测试了志愿者能够感受到的阈值驱动电压。如图 4c 所示，五名志愿者能够感受到的最低驱动电压在 200 至 350 伏之间。

为了进一步验证微风感发生器阵列传输编码信息的能力，我们设计了一个紧凑的系统来控制发生器阵列。图 4d 展示了控制系统的工作流程图。具体而言，控制器发出的射频信号包含来自虚拟现实环境或手动控制的信息，然后接收模块对信号进行解码，并将其发送至升压电路以激活微风感发生器。整个系统便于携带，由 3.7 V 电池供电。为保护系统，我们还设计了一个柔性外壳。使用小型 900 mAh 锂电池时，系统的续航时间可达 4 小时，足以满足正常使用。在此，我们使用 2×2 发生器阵列来演示 6 种信息传输编码模式，其中每个发生器的尺寸为 2×2 cm2，厚度约为 950 μm。每个发生器之间的距离为 4 mm。该阵列的柔韧性也十分出色。6 种编码方法在图 4e 中可视化，通过特定发生器的顺序工作进行编码(模式 I：1→4；模式 II：2→3；模式 III：3→2；模式 IV：4→1；模式 V：1→2→4→3；模式 VI：1→3→4→2)。当电压峰峰值(Vₚ₋ₚ)为 500 V且频率约为 160 Hz时，两名志愿者被要求识别 6 种编码，总体准确率超过 96%，如图 4f 所示。另一方面，我们要求志愿者分辩由两个相邻且同时激活的发生单元所组成的形状(模型 I：1 和 4；模型 II：2 和 3；模型 III：1 和 3；模型 IV：2 和 4)，准确率高达约 98% 。上述结果表明我们的微风感发生器阵列干扰小，并且编码信息传输具有潜在应用价值。

图4. 非接触式反馈用于编码信息传输。a 志愿者测试示意图。b 在固定峰峰值电压为 1000 V 时 6 名志愿者的最佳频率范围测量结果。c 在 70 – 90 Hz 的最佳频率范围内 6 名志愿者可感知的阈值驱动电压。d 编码微风感知信息传输演示的控制系统流程图。e 使用 2×2 发生器阵列(每个单元大小为 2×2 cm2)的 6 种编码方法示意图。f 当峰峰值电压和频率分别为 500 V 和约 160 Hz 时 2 名志愿者识别 6 种编码的准确率。

V 轻薄柔性微风感发生器在虚拟现实中的应用

为了展示与VR相结合的可穿戴性，我们将非接触式风感反馈可穿戴系统与志愿者佩戴的VR设备相结合，如图5a所示。两个2×2风感发生器阵列分别位于志愿者面部的左右两侧(图5a- 1)，每个单元的工作面积为3* 3 cm2。这些设备帮助志愿者区分风是来自左面还是右面。另一个4×6风感发生器阵列(每个单元的工作区域为2*2 cm2)位于志愿者的背部(图5a-II)。这个装置的设计目的是让志愿者在背部感受到微风。我们使用以上3个阵列，让志愿者在VR环境中从不同方向感知连续或突然的微风感。阵列激活时，驱动电压为500 Vₚ₋ₚ，驱动频率为160 Hz。需要注意的是，VR设备通常是在室内环境中使用的。室内环境中的气流一般是随机的或连续的，很容易与我们设备产生的编码气流区分开来。因此，由周围气流引起的干扰是非常有限的。

在第一个演示中，志愿者的虚拟位置被设置在森林与大海的交汇处。虚拟环境包括从海洋吹到陆地的持续微风。我们在VR环境中设置的3个微风方向如图5b所示。Ⅰ 当志愿者看森林时，微风从后面吹来，后面的阵列被激活；Ⅱ 当志愿者看向边界时，海在志愿者的右侧，志愿者面部右侧的阵列被激活；Ⅲ 当志愿者看向大海时，志愿者面部左右两侧的两个阵列同时被激活。另一个场景是在VR环境中乘坐过山车，如图5c所示，志愿者可以感受到环境突然变化带来的微风。Ⅰ 位于志愿者面部两侧的阵列在过山车下潜时被激活；Ⅱ 当左侧发生爆炸时，位于志愿者面部左侧的阵列被激活；Ⅲ 当有石头落在志愿者的右侧时，位于志愿者面部右侧的阵列就会激活。

图5. VR中的非接触式风感反馈系统演示。图片a展示了与VR设备集成的非接触式风感反馈可穿戴系统，Ⅰ：位于志愿者面部两侧的两个2×2微风感生成器阵列；II：一个4×6生成器阵列位于志愿者背面。b志愿者感受到从海上吹到陆地的持续微风。c志愿者感受到突如其来的环境变化带来的微风。

VI 总结

文章提出了一种柔性轻薄微风感发生器，使用户能够在虚拟现实(VR)环境中感知非接触式触觉反馈。通过优化关键参数设计，该设备的气流压力输出性能显著提升。实验结果表明，该发生器可产生约163 Pa的显著气流压力输出(易被人体皮肤感知)，整体厚度小于2毫米，且具备良好柔性——在弯曲50°时仍能保持初始输出值的50%以上。这些特性使其能有效集成于现有AR/VR系统中。连续5小时工作后，气流压力输出波动小于10%，证明了其优异的耐用性，这对实际应用至关重要。志愿者测试中，气流感应阵列成功实现了编码信息传递。此外，我们开发了非接触式气流反馈可穿戴系统，可为VR环境中的用户提供多方位连续或突发的气流感知。未来研究将聚焦于：1降低驱动电压并增强恶劣环境下的运行稳定性以提升实用性；2开发能传递丰富编码气流感知的AR/VR场景，例如模拟母亲轻吹婴儿手掌的交互场景。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区Top期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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