触觉是人与环境建立联系的重要感官通道。与主要依赖头部感知区域的视觉和听觉系统不同，皮肤覆盖全身，能够直接传递位置、方向、强度和节奏等空间与时间信息。虽然躯干中的触觉感受器密度低于指尖，却拥有更大的可交互面积，为全身触觉信息呈现提供了天然载体。

然而，现有可穿戴触觉系统多依赖振动马达、电磁或静电驱动，反馈形式往往局限于振动或局部按压；部分装置还需要刚性结构或直接粘贴在皮肤上，难以兼顾大面积覆盖的多样化触感与长期穿戴舒适性。如何让触觉设备像衣物一样柔软、可扩展，同时输出日常接触中差异明显的多种触感，是可穿戴人机交互领域面临的重要挑战。

针对该问题，西湖大学工学院姜汉卿团队提出并开发了一种双稳态软气动触觉织物界面，将弹性双稳态薄壳嵌入织物气腔，利用薄壳在两个稳态之间的快速跳变，触觉单元能够产生冲击、振动和按压，多个单元时序协同可形成滑动轨迹和大面积时空触觉图案，借此将躯干转化为可编程的“触感界面”。

北京时间2026年8月3日，研究成果以“Bistable Haptic Textiles for Immersive Somatosensory Augmentation and Sensory Substitution”为题，发表在 Nature Sensors（《自然·传感》）。原西湖大学工学院博士后（现复旦大学研究员）张壮、西湖大学工学院博士生陈森涛、杨子航、俄木罗前为共同第一作者，西湖大学工学院讲席教授姜汉卿为通讯作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44460-026-00120-5

为了让高保真全身触觉交互真正落地，研究者们尝试过多种技术路线，但始终难以破局：大多方案聚焦指尖、手腕等小范围区域，难以覆盖躯干这一最大的体表交互区域；常见的振动马达方案模态单一，仅能传递节奏信息，无法复现冲击、按压、滑动等差异化触感；部分气动触觉手套或刚性外骨骼虽能实现更强的力反馈，却依赖硬质结构与复杂管路，穿戴笨重且无法与日常衣物兼容，更难实现大面积阵列扩展。传统气动执行器通常依赖压力变化实现力输出，在快速冲击反馈、状态保持和系统集成方面仍存在挑战。

针对上述问题，研究团队将双稳态力学单元与逻辑气路结合，打造出了织物体系的触觉交互界面。该界面既可以作为小型多模态触觉交互袖套，也能扩展为全覆盖式触觉背心，在柔顺贴身的同时，能够实现沉浸式体感增强与现实感官替代：在虚拟世界中同步还原拍肩、拥抱、撞击等触感，在现实场景里以触觉编码传递方向、预警、导航等独立信息。

图1. 双稳态织物触觉界面及其全身多模态触觉交互：单元可模拟轻拍、冲击、振动和滑动，并可集成为袖套、背心等可穿戴形式，用于虚拟触觉复现与触觉导航。

为让触觉能够真正“穿”在身上，研究团队将一片厚度仅0.20 mm的弯曲铜壳封装在柔软织物中，并在其上下两侧布置四个相互独立、方向正交的热塑性聚氨酯织物气腔。经过退火和垂直方向压制后，薄壳形成两种主曲率相互垂直的稳态。当气腔输入的能量超过结构能量势垒，薄壳便会瞬间从一个稳态跳变至另一个稳态；反向充气则可将其复位。

双稳态结构的优势在于能够先储存弹性应变能，再通过跳变瞬间释放。与普通气腔随压力逐渐增大而缓慢输出力不同，冲击模态在达到阈值后会突然“翻转”，形成短促、清晰的敲击感；完成跳变后，结构能够保持新的稳态，无需持续输入能量。优化后的薄壳可稳定实现超过10000次循环切换，表现出良好的重复性与耐久性。

利用选择性充气策略，同一单元可输出三类基本触觉模态。其一是冲击模态：薄壳快速跳变，约0.5 ms内释放最高约14 N的瞬时冲击力；其二是振动模态：上下气腔交替驱动薄壳往复翻转，形成脉冲式振动，最高频率可达10 Hz；其三是按压模态：下方气腔缓慢膨胀，可形成随输入气压连续调节的持续按压力。当阵列中多个单元按设定顺序依次触发时，还能在皮肤上形成具有明确方向感的连续滑动轨迹。

为了从单点触觉扩展到全身大面积交互，研究团队将多个执行单元直接集成到同一织物基底中，并采用AND逻辑控制方案。当目标行气腔与目标列气腔同时达到阈值压力时，交叉位置的双稳态薄壳会触发跳变，显著降低系统复杂度。经测试，单单元和多点背心从指令输入到完成动作的系统延迟分别约为43 ms和57 ms，可满足虚拟交互、导航提示等多数场景的实时性需求。

图2. 双稳态力学机制、三种触觉输出模态及阵列控制原理。不同气腔充气组合分别产生冲击、振动和按压；行列交叉的AND逻辑可选择性触发阵列中的目标单元，并通过连续扫描形成方向性滑动触感。

触觉反馈装置不仅要“有力”，还要让人能够稳定、清晰地区分不同触感信息。研究团队对冲击、三档振动和三档按压共七种模式进行盲态识别测试。结果显示，冲击与振动模态的识别率总体超过96%，其中中频与高频振动偶有混淆；不同压力等级的按压感知差异相对接近，但整体仍表现出可区分的感知特征。

进一步的脑电实验从生理层面验证了不同触觉模态的神经响应差异。冲击模态会诱发更显著的触觉诱发电位，中央区域脑电活动增强；振动模态呈现与输入节奏相对应的周期性脑电波动；按压模态的波形特征则相对不明显。这说明双稳态触觉单元产生的多模态刺激不仅在主观感知上可被识别，也能够在皮层神经层面引发差异化的响应。

当3×3触觉阵列以不同位置或不同顺序触发时，穿戴者能把这些时空刺激解读为一套“触觉语言”。在八个静态方向的识别测试中，参与者的识别率均超过81%；加入时间顺序、形成连续滑动轨迹后，各方向的识别表现进一步提高，顺时针和逆时针圆周轨迹的识别率接近100%。相较仅呈现单个点位的静态刺激，时空结合的运动轨迹能够提供更丰富的方向信息，为无视觉或低视觉干扰条件下的信息传输提供了更高效的替代思路。

图3. 多模态触觉引发的生理与认知响应。通过皮肤形变测量、模态识别实验和脑电记录，比较冲击、振动与按压的差异，并评估方向及运动轨迹等时空触觉信息的可辨识性。

基于上述核心性能，研究团队展示了两类典型应用方向。第一类是沉浸式体感增强：触觉背心与VR/AR画面实时同步，在虚拟角色拍肩时输出对应位置的连续轻拍触感，在拥抱场景中同时在胸前产生短促冲击、在腰背部产生包裹式按压，也可在游戏与训练模拟中还原碰撞、击打和持续接触等多种触感。

第二类是感官替代与辅助导航：便携相机或手机采集环境深度信息后，将障碍物距离、转向提示和楼梯方向等信息编码为不同频率、位置和轨迹的触觉提示，使用者无需持续占用视觉或听觉通道，即可获取导航信息，尤其适合视障人群或视觉高度占用的作业场景。在导航演示中，触觉背心能够帮助用户顺利通过迷宫、判断转向并完成上下楼决策。在需要转向判断的任务中，平均完成时间由使用盲杖时的41.33 s缩短至使用触觉背心时的20.25 s，方向选择准确率达到100%，楼梯导航准确率达到97%。

图4. 虚拟感知增强与现实环境中的感觉替代应用。触觉背心可同步复现虚拟拍肩、拥抱和碰撞等触感，也可将障碍距离、转向及上下楼信息转化为空间和时间可编程的触觉提示。

该研究以双稳态力学为核心，将高冲击力、可调振动、持续按压和时空滑动集成到柔软织物中，使衣物从被动覆盖身体的材料转变为可编程的全身感知界面。其兼具多模态反馈、阵列扩展和贴肤集成能力，有望应用于沉浸式虚拟现实、远程交流、训练与辅助导航等场景。

西湖大学工学院讲席教授Mohamad Sawan、西湖大学医学院附属杭州市第一人民医院丁忠祥教授及其团队亦为本研究提供重要支持。本研究获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金支持。

内容来自：西湖大学工学院SOE