静电触感：基于立毛反射的前臂非接触式连续抚摸触觉模拟

《IEEE Transactions on Haptics》：ElectroCaresses: Contactless Apparent Motion on the Forearm using Electrostatic Piloerection

　　本研究针对现有抚摸触觉设备需接触佩戴、难以实现"即来即用"交互的局限，提出ElectroCaresses系统，通过静电立毛反射（Electrostatic Piloerection）技术在前臂实现非接触式连续抚摸感知。研究通过心理物理学实验（n=12）证实，利用三个离散电极可产生表观运动（Apparent Motion）幻觉，参与者对刺激方向的判别准确率达93%，并成功感知到连续抚摸感。该工作为静电触觉技术在情感交互、虚拟现实等领域的应用提供了重要设计准则。

　　

在数字化交互日益普及的今天，人们渴望更自然的触觉交流体验。抚摸作为一种重要的社交触觉，能够传递情感、促进人际 bonding（联系建立），但现有触觉设备大多需要直接接触皮肤，使用者必须佩戴或握持设备，既增加了准备时间，又可能因侵入个人空间而引发接受度问题。更遗憾的是，在共享办公、公共信息亭等"即来即用"（come-and-interact）场景中，接触式设备难以满足快速交互的需求。

非接触触觉技术为此提供了新思路，例如聚焦超声波（Focused Ultrasound）可在空中产生触觉。然而，该技术主要适用于无毛皮肤，若要在前臂等多毛部位产生可感知的触觉，所需超声波强度可能超出安全限值。另一项替代技术——静电立毛反射（Electrostatic Piloerection）——通过静电力吸引体毛朝向远距离电极运动，从而产生触觉。这种机制能刺激富含CT触觉传入神经（C-tactile afferents，与愉悦触觉感知相关的神经纤维）的多毛皮肤，且与情绪反应相关，因此是生成非接触式抚摸刺激的理想候选。但既往研究仅使用单个静态电极，而真实的抚摸需要以特定速度进行连续运动感知。

为突破这一局限，来自西班牙UpnaLab的研究团队在《IEEE Transactions on Haptics》上发表了题为"ElectroCaresses: Contactless Apparent Motion on the Forearm using Electrostatic Piloerection"的论文。他们开发了ElectroCaresses系统，首次探索利用静电立毛反射在前臂产生非接触式连续抚摸感知。研究核心是验证能否通过三个离散电极激发"表观运动"（Apparent Motion）——一种经典的触觉幻觉，即离散信号被感知为连续运动。该技术有望制造更紧凑、无运动部件的设备，提升社交接受度。

为开展研究，团队研制了一套精密的静电触觉生成系统。该系统核心包括三部分：高压生成模块、电极设计与放电控制机构。高压模块采用并联-串联变压器组与九级Cockcroft-Walton倍压电路，输出>20 kV直流电压，电流限制在安全范围（<0.4 mA）。电极创新性地采用凹形纸板设计，使其与前臂轮廓贴合，确保刺激均匀性。为实现快速可控放电，团队设计了机电式放电开关，通过伺服电机推动导线与接地端接触，精确控制放电时序。此外，他们还构建了可调电极间距的机械结构，通过伺服电机驱动曲柄连杆机构，使两侧电极能按设定距离（5 cm、6 cm、7 cm）同步移动。

软件层面，研究者定义了关键时序参数：单个电极刺激持续时间（d_stimulus）为500 ms、750 ms、1000 ms、2000 ms；信号起始异步（SOA, Signal Onset Asynchrony）以刺激持续时间百分比（α）表示，分别为50%、65%、80%、110%。通过调整这些参数，系统能产生不同重叠程度的连续或离散刺激模式。

心理物理学实验设计

研究招募12名参与者，在其主导前臂施加由三电极产生的静电立毛反射刺激。实验采用被试内设计，考察电极间距（DISTANCE）、刺激持续时间（DURATION）、信号异步（ASYNCHRONY）和刺激方向（DIRECTION，向上：手腕至肘部；向下：肘部至手腕）四个因素对连续运动感知的影响。每轮试验后，参与者需判断刺激是连续（Continuous）还是离散（Discrete），估计感知刺激数量，并判别运动方向及其置信度。

连续性感知结果

数据分析显示，刺激持续时间与信号异步是影响连续感知的关键因素。长达2000 ms的刺激更易被感知为连续（60%连续感知率），而较短持续时间（500 ms、750 ms、1000 ms）多被感知为离散（62%-68%离散感知率）。信号异步方面，50%异步（即信号高度重叠）条件下，57%的刺激被感知为连续；随着异步增加（65%、80%、110%），离散感知率逐步上升至75%。这表明，较长的刺激持续时间与较短的信号异步（即较大时序重叠）有利于产生表观运动幻觉。

方向亦对连续感知有轻微影响：向上刺激（手腕至肘部）的连续感知率（44%）高于向下刺激（38%）。研究者推测，这可能与手腕区域毛囊密度较低、刺激强度感知较弱，从而更符合"轻柔起始"的抚摸特性有关。

电极间距本身无显著主效应，但与其它因素交互作用显著。较大间距（7 cm）配合较短异步时，连续感知最强。这表明，空间分离需与时间重叠协同作用才能优化运动幻觉。

方向感知结果

参与者对刺激方向的判别表现出色，总体准确率达92.8%。尤其在高置信度（评分≥4/7）的回答中，准确率更高。信号异步显著影响方向判别的置信度，异步越长（如110%），参与者对方向判断越自信（平均置信度5.8）。这可能是由于异步增大减少了信号重叠，使离散刺激更清晰。

定性反馈

访谈中，参与者生动描述了连续刺激的感知体验。多人表示感觉像"被抚摸"或"有人用手指在前臂上移动但未接触"。部分参与者将感觉形容为"鸡皮疙瘩"（goosebumps），并误以为实验过程中电极机械结构在真实移动，从而佐证了表观运动幻觉的有效性。值得注意的是，尽管所有电极输出强度相同，但约40%参与者报告手腕处刺激较弱，可能与不同部位毛囊密度差异有关。

指导原则

基于实验结果，研究者提出利用静电立毛反射实现表观运动的三大设计准则：

1. 1.
   间距（DISTANCE）：建议采用较大电极间距（如7 cm）并配合较短信号异步，以增强连续运动感知。
2. 2.
   持续时间（DURATION）：优先选择较长刺激持续时间（如2000 ms）和较短异步，以增加总刺激时长，但需避免过长导致感知饱和。
3. 3.
   方向（DIRECTION）：向上刺激（手腕至肘部）更易产生连续感知，可能因强度渐变更符合自然抚摸模式。

结论与展望

本研究成功证实了利用静电立毛反射技术在前臂实现非接触式连续抚摸感知的可行性。通过心理物理学实验，明确了刺激参数（持续时间、异步、间距、方向）对表观运动幻觉的影响，并建立了具体设计指南。ElectroCaresses系统为创造轻量、非侵入式的触觉交互设备开辟了新途径，在虚拟治疗、情感通知、视频游戏及跨文化社交模拟等领域具有广阔应用前景。

研究也存在一些局限，例如未直接验证CT传入神经的激活情况，设备体积仍需进一步小型化。未来工作可探索与其他感官模态（如热刺激）结合、开发更复杂触觉模式，以及在VR/AR环境中结合视觉反馈以增强幻觉效果。这项技术标志着向实现自然、愉悦的非接触触觉交互迈出了关键一步，为人机交互领域带来了新的想象力。