1.介绍
触觉可分为两部分：触觉和动觉。触觉涉及皮肤中的神经末梢，以检测接触，质地和振动。动觉是对身体位置的感知，涉及位于肌肉骨骼系统中的结构以感知力和运动。触觉技术通过触觉与用户互动，产生感觉，以帮助人们进行操纵任务，并在虚拟或增强现实中提供周围环境的信息。触觉系统，能够真实地触摸重新创建的感觉会大大许多领域，包括远程操作，模拟训练，通信和身临其境的娱乐影响人们的工作和生活。然而，触觉的用途目前是有限的。触觉致动器产生触感并在人机交互中提供真实感和深度。需要新一代的软触觉界面来产生在模仿自然触摸交互所需的大区域上的分布式信号。一种有前途的方法是将有机致动器材料和增材印刷技术的优点结合起来。这种强大的组合可以使设备符合人体工程学，易于定制，并且对研究人员来说是经济的，以探索潜在的益处并创建新的触觉应用。
最近加州大学圣地亚哥分校TseNgaNg教授团队提出了用于制造触觉致动器的新兴有机致动器材料和数字印刷技术的概述。特别是，重点是与多材料致动器集成相关的挑战和潜在解决方案，着眼于提高打印过程的保真度和鲁棒性。然后，报告了通过使用开源挤压打印机将不同的聚合物和复合材料集成到自由形式设计中来实现紧凑，轻巧的触觉致动器的进展。通过两个触觉界面（一个触觉表面和一个动觉手套）表明，使用有机材料进行打印是一种用于快速制作各种类型的触觉设备原型的通用方法。相关科研成果PrintingMultiMaterialOrganicHapticActuators发表在德国Wiley《先进材料》上。
2.触觉技术
最常见的触觉技术是来自消费类电子产品中移动设备的振动反馈，但对在表面提供感觉的其他技术存在很高的需求。产生触摸屏触感的其他方式包括更改皮肤屏幕界面的表面摩擦力，附着力，温度，粘弹性和形态。如图1a所示，可以通过施加不同频率和幅度的电压来调整活动手指与封装电极之间的静电摩擦，从而使用户感觉到设备表面在粘着性，湿滑性，颠簸性与光滑度之间变化。为了演示针对视障人士的盲文显示器，按图1b所示设计触觉像素阵列，以通过局部提起点并更改柔性表面的形态来形成字母单元。大多数触觉设备的目标是与我们的手互动，但是将触摸反馈扩展到身体的更多区域会更加身临其境。在这种情况下，表面触觉的形状因子最近已扩展到图1c中的可穿戴薄片，其电磁线圈致动器与人体吻合。
图1a）电振动触觉表面。b）盲文触觉显示器。c）皮肤集成的无线触觉接口，用于机械振动反馈。d）商业触觉反馈系统CyberGrasp。e）具有触觉反馈的夹爪控制器。f）基于由电机驱动的指尖促动器的虚拟对象操纵和探索。g）保形静电离合器，可提供动觉反馈。h）紧凑型触觉反馈手套的概念。
3.有机致动器的材料和机理
在触觉应用中，度量评估致动器的性能包括阻止应力和应变的活性。图2a比较了不同类别的致动器材料的这两个指标。阻塞应力定义为材料在致动时克服约束（零变形）而产生的应力。主动应变通常被测量为在致动期间处于自由站立状态的材料变形。图2a中的虚线表示刚度的恒定值，该值是粘滞应力与活动应变的比率。致动器的刚度可以与人体组织匹配，以提高舒适度和人体工程学。
图2a）各种致动器材料的阻塞应力和执行应变范围。图解说明基于以下条件的有机致动器的操作机理的示意图：b）水凝胶；c）形状记忆聚合物；d）液晶弹性体；e）磁性复合材料；f）离子电活性聚合物；g）介电弹性体。h）压电聚合物。
3.1溶胀驱动水凝胶
如图2b所示，当聚合物链的弹性与渗透之间的平衡随着外部刺激而变化时，水凝胶会吸收水并显示出体积的急剧变化。体积变化取决于交联密度，该交联密度可以通过调节材料组成和加工方法来精确控制。干燥状态和溶胀状态之间的结构变化可以通过改变参数（例如pH值，溶质摩尔浓度和温度）进行调整，并且可以通过模拟预测。为了实现各向异性溶胀，通过挤出获得由嵌入软丙烯酰胺基体中的排列的纤维素原纤维组成的水凝胶。所得复合材料沿纵轴的溶胀小于垂直于原纤维的横轴的溶胀。通过解决目标几何形状的反问题，可以设计出各向异性膨胀引起的形状变化。水凝胶致动器的局限性在于它们的响应速度通常很慢，因为它们依靠扩散在膨胀状态和收缩状态之间切换。
3.2热驱动聚合物
热驱动聚合物包括形状记忆聚合物（SMP），液晶弹性体（LCE）和热膨胀聚合物。当通过焦耳加热或照明使温度升高时，这些材料就会启动。SMP是具有永久和临时网络的聚合物，例如聚氨酯和聚己内酯。如图2c所示，临时网络可以在高温下断开连接。一旦断开连接，材料就会变形并保持在临时位置，然后冷却至转变温度以下，以固定临时形状。然后，当再次施加热量时，由于聚合物网络中存储的弹性能，物体形状将恢复为初始形状。
4．数字制作方法
为了制造触觉设备，数字印刷提供了将结构材料和电子材料相结合的功能，从而可以使用统一的工艺制造功能强大的可扩展设备。图3a显示了有关每种特定方法的油墨粘度公差的常用印刷方法列表。墨水粘度是决定墨水是否可以从打印机喷嘴中流出的关键参数，可以通过打印温度和墨水配方对其进行调整。墨水的配方取决于溶质的极性和在溶剂中的溶解度。可以选择低沸点的溶剂以加速蒸发，但是要权衡一下，快速蒸发可能会导致喷嘴堵塞。
图3a）数字制造技术和相应的油墨粘度。b）喷墨和电动流体动力印刷的示意图。c）喷墨印刷电路。d）由电动流体喷墨技术制成的3D互连。e）挤出打印头的示意图。f）挤压的共晶镓铟金属结构。g）多种材料的体素挤出。h）照相制版过程的示意图。i）基于连续液体界面生产的光聚合。j）通过双光子光刻构图的热解镍纳米结构。
6.印刷有机触觉设备
已经证明可变形的触觉表面可用于盲文显示器和智能皮肤等应用。然而，由于制造的复杂性以及对笨重的辅助部件的需求，特别是对于流体致动器，现有的触觉表面已被限制在小的覆盖范围内。
图4a是印刷的触觉表面的分解图，图4b是集成装置的照片。每层的材料组合和几何布局如图4a，c所示。详细的制造过程在支持信息中介绍。层1是一个多畴LCE膜，用作表面平滑层以封装器件。在第2层中，热塑性聚氨酯（TPU）沉积在七段促动器杆的区域中，而其余区域则填充有多畴LCE。第3层是唯一具有主动致动材料的层。单域LCE印刷在TPU区域的顶部，被多域LCE包围。单畴LCE的对准平行于每个矩形致动杆的宽度，即短边缘。致动时，杆宽度将缩小并影响表面变形。在第4层中，将导电银复合材料构图为蛇形电阻加热器，以热激活选定段的致动。有六个接触节点将加热器连接到外部驱动器电路。第5层是另一种支持加热丝的多畴LCE膜，是整个设备的底部封装。
图4a）分解图，b）触觉显示器的照片。c）在挤出印刷过程中印刷层的照片。d）致动器段的横截面图，显示了温度升高时的致动机制。e）演示将数字“3”作为相应的段加热到°C。f）升高的高度和g）在不同温度下致动器段的阻挡力。
图5a示出了由三个印刷层组成的运动感觉致动器。顶层和底层被挤出为单域LCE。对于中间层，挤压导电银复合材料以图案化加热器迹线，并用LCE填充加热器周围的区域。两层铜线嵌入中间层，以将加热器回路连接到外部电源。在图5a中，浅蓝色区域中的LCE平行于致动器的长边对齐，而在深蓝色区域中，LCE则平行于短边对齐。深蓝色区域与浅蓝色区域之间的垂直对齐方向会减少铜线相对于加热器走线的轴向移动，以避免在致动时断开电气路径。直流电源用于为集成加热器供电，以提高致动器温度并控制致动器。
图5a）印刷的动觉致动器的分解图。b）在不同的温度下，印刷的动觉致动器的输出应力-应变特性，以10°C为步长。c）在没有负载的情况下加热到不同温度时的动觉致动器照片。d）手指模型上的致动演示。根据控制温度，致动器将50克重物举起不同的距离。e）致动器施加在手指上的拉力产生动感，以模仿虚拟现实中物体的撞击。
致动器的特性取决于温度，应力和应变，如图5b所示。图5c显示了在不同温度下收缩为不同长度的集成LCE致动器的照片。为了演示LCE致动器可以完成的工作，作者将致动器连接到模型手指上，如图5d所示。指尖上挂有50克重。当致动器加热时，LCE收缩并抬起指尖。在70°C时，致动器将重50g的手指提起9.2mm，相当于4.5mJ的功输出。这种工作输出水平通常对于触觉接口就足够了。
参考文献：
doi.org/10./adma.
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