在当今数字化时代，视觉和听觉信息占据了信息交互的主导地位，而人类的触觉感知却长期被忽视。这不仅限制了虚拟交互的沉浸感，更对盲人和视障人士获取数字信息造成了巨大障碍。传统的触觉图形，如盲文书籍和热敏膨胀纸，虽能提供非视觉信息，但其静态、不可刷新的特性严重制约了信息的动态更新与数字化集成。尽管基于机械销钉阵列的刷新式触觉显示器有所发展，但其复杂的机械结构、高昂的成本和易磨损的部件使其难以普及。
针对这一长期存在的技术挑战，荷兰埃因霍温理工大学刘丹青副教授、华南理工大学谢晓晨教授合作，提出了一种基于液晶弹性体的新型动态触觉显示平台。相关论文以“Liquid Crystal Elastomer-Based Haptic Pixel Arrays at Your Fingertips for Advanced Human–Machine Interfaces”为题，发表在Advanced Materials上。
该研究团队开发了一种基于液晶弹性体涂层的刷新式触觉显示平台。该平台可通过数字编程控制，可逆地生成表面突起作为触觉像素，用以呈现可选择的触觉图像。研究证明了液晶弹性体在安全、可控的温度范围内能够实现快速、可逆的形变，并成功将其集成至数字电路板，实现了单个触觉像素的独立电子寻址激活。通过心理物理学实验评估，该材料在触觉线条方向辨别任务中的表现与标准触觉图形介质——膨胀纸相当，从而确立了液晶弹性体作为下一代动态触觉显示器有力竞争者的地位。
这种液晶弹性体涂层采用了一种创新的双层结构设计。研究团队首先通过两步交联策略和机械编程，制备出具有预编程凹陷的液晶弹性体基层。该材料可在室温至约45摄氏度的安全温度区间内，实现从凹陷到平整的可逆切换（图1c）。为了获得平整的初始表面，研究人员在编程后的弹性体表面填充了一层柔性丙烯酸酯材料，形成双层结构（图1c）。在加热时，下层液晶弹性体的形变会驱动上层被动层向上凸起，从而形成高度可达约100微米的表面触觉像素（图2d）。通过调节材料配方，团队精确控制了材料的相变温度，使其在低于37摄氏度时几乎不发生形变，从而避免了意外触碰导致的误触发，确保了器件的稳定性和安全性（图2b）。对双层材料中丙烯酸酯层配方的优化表明，加入适量二硫醇单体可有效降低其玻璃化转变温度，使其在液晶弹性体工作温度下足够柔顺，从而最大程度地保留底层形变，实现约90%的驱动幅度保留（图2g, 2h）。耐久性测试显示，该双层材料在经历200次加热-冷却循环后，其驱动性能未出现明显衰减（图2i），并且该编程方法可适用于多种几何形状，生成不同的触觉图标（图2j）。
图1 （a）触觉显示屏的概念可视化图，该屏幕具有响应性触觉液晶弹性体涂层，通过加热电阻进行局部刺激（放大的插图中以红色表示热量）以显示触觉图像。 （b）用于制备液晶弹性体材料（1-5）和丙烯酸酯层（2，6）的单体。 （c）制备过程示意图；（i）松散交联的液晶弹性体被印章压印以形成凹陷，（ii）通过光聚合步骤永久编程凹陷，（iii）加热时，该材料发生可逆驱动，恢复到平坦状态。（iv）添加基于丙烯酸酯的双层以形成最终顶涂层，在室温下形成平坦表面。（v）当材料被加热时，驱动液晶弹性体层将丙烯酸酯层向上推以形成突起。
图2 （a）液晶弹性体层中凹陷在23°C至50°C温度下的二维轮廓。 （b）单体4和5比例变化时，混合物从向列相到各向同性相的转变温度，以来自单体5的乙烯基的摩尔百分比表示。 （c）单体4和5比例变化时，混合物储能模量随温度的变化。图例中以来自单体5的乙烯基的摩尔百分比表示。 （d）丙烯酸酯层在23°C至50°C温度下的二维轮廓。 （e）由单体6和不同百分比单体2组成的双层组合物的储能模量和（f）损耗角正切，图中以单体2表示。 （g）从室温加热到50°C时，液晶弹性体层中凹陷最深点的垂直位移和丙烯酸酯层（含10%单体2组分）突起最高点的垂直位移。 （h）使用不同百分比单体2的双层组合物驱动时，液晶弹性体凸起保留的驱动量。 （i）室温下和驱动状态下触觉凸起的二维轮廓，显示200次加热和冷却循环前后的情况，以证明双层的耐久性。 （j）驱动的预编程触觉图标的3D图像。
为深入理解并精确设计这种形变行为，研究人员对机械编程过程中液晶分子的取向机制进行了理论模拟与实验验证。偏光显微镜观察显示，压印过程会在凹陷周围诱导出复杂的向列相液晶指向矢分布，包括径向和同心圆形的取向模式，甚至形成了拓扑缺陷（图3a, 3b, 3c）。通过基于新古典橡胶弹性理论的数值模拟，研究团队揭示了这种复杂三维取向结构的形成机制：压印产生的非均匀应力场和应变场，在材料厚度方向上诱导了从表面径向取向到底部环向取向的渐变分布（图3d, 3e, 3f）。模拟结果与实验观察高度吻合，验证了这一理论模型的准确性，为未来理性设计更复杂的触觉像素阵列奠定了坚实的理论基础。
图3 （a）在插入45°角全波片的情况下，液晶弹性体层中凹陷的偏光显微镜图像。 （b）液晶弹性体凹陷的Polscope图像。 （c）正交偏光镜下液晶弹性体凹陷的横截面。 （d）由圆柱形探头压印的长方体弹性体。压缩产生中心表面凹陷，并通过朗道自由能项中的应力-序参数耦合诱导取向序。加热时，序参数消失，排列变得无序，结构几乎恢复其初始形状。 （e-f）黑色箭头表示指向矢场，背景色表示顶部区域的序参数分布，以及主伸长方向（变形梯度的特征向量）用蓝色箭头表示，相应特征值λ用背景色表示（e）在z = 0, 0.2和0.3 mm处的xy横截面，以及（f）在y = 0.5, 0.6和0.7 mm处的xz横截面。所有横截面均相对于初始弹性体几何形状（未变形网格）选取。坐标(x, y, z)以毫米表示。
在实现材料层面的突破后，研究团队将液晶弹性体涂层集成到了数字化驱动平台上。他们将预编程的弹性体薄膜贴合在含有对应电阻网格的柔性印刷电路板上，并通过电阻的焦耳热实现局部加热（图4a）。热成像和表面形貌分析表明，当单个电阻被加热时，其正上方的液晶弹性体区域温度迅速升高并形成突起，而相邻像素则保持平整，实现了良好的空间选择性（图4b, 4c, 4d）。有限元模拟证实，被动散热装置（如散热片）对于将热量限制在目标像素区域内至关重要（图4f）。驱动动力学测试显示，该触觉像素可在约9.5秒内达到最大突起高度，撤去电源后约5秒即可恢复平整，完成一个完整的开关循环（图4g）。虽然响应速度略慢于压电驱动销钉，但对于人类触觉信息处理速度而言已足够。此外，通过调节加热电压，还可实现对突起高度的连续调控。
图4 （a）演示装置示意图，其中基于液晶弹性体的触觉材料放置在带有电阻网格的柔性印刷电路板上，每个电阻可通过焦耳热单独加热。红色电阻代表局部加热，驱动一个触觉像素而不影响相邻像素。 （b）当单个电阻被加热时，演示装置上触觉材料的热图像。 （c）加热电阻正上方材料表面的温度分布（红色），以及位于加热电阻正上方的触觉像素的高度分布（黑色）。35°C以上的区域以红色突出显示，以强调热量的横向扩散与触觉像素的驱动区域重叠。 （d）3x3触觉像素网格的3D轮廓，（i）室温下，（ii）加热所有像素时，（iii）仅加热中心像素时，（iv）仅加热单个角像素时，（v）加热一行像素时。 （e）加热长达1小时时，加热电阻上方材料表面的温度分布。 （f）局部加热8秒后，有（蓝色）和无（红色）金属散热片被动冷却时，液晶弹性体层顶部（丙烯酸酯双层下方）的模拟温度分布。此时，液晶弹性体中2mm×2mm区域达到了平均45°C的温度。 （g）演示装置上像素随时间的轮廓变化，加热电阻（第一循环中以红色表示）可快速驱动像素，关闭加热（以蓝色表示）可迅速使驱动恢复，材料回到平坦状态。
为了验证该材料在实际应用中的可行性，研究团队进行了一项标准的心理物理学实验。他们利用液晶弹性体制备了一排点状触觉线条，并与传统的膨胀纸线条进行对比，测试志愿者对线条方向微小变化的辨别能力（图5a, 5b, 5c）。十二名参与者在两种材料上完成了“二选一强制选择”的方向辨别任务。结果显示，两种材料在“刚好可察觉差异”这一关键指标上表现非常接近（液晶弹性体为7.2度，膨胀纸为7.1度），统计学分析进一步证实了二者性能的等效性（图5d, 5e）。这一结果表明，液晶弹性体触觉显示器在传递基础触觉图形信息方面，已经达到了与现有成熟静态介质同等的水平。
图5 （a）感知研究实验装置。使用手臂支架使所有参与者的手臂保持稳定且相同的位置。实验者使用量角器改变刺激物的方向。 （b）（i）用于感知研究的液晶弹性体样品（带被动顶涂层的液晶弹性体层）图片。（ii）样品在加热至45°C时呈现一行凸起的点。（iii）样品中一个像素的二维轮廓，显示突起高度为50 μm。 （c）（i）用于感知研究的膨胀纸样品图片。（ii）膨胀纸线条的三维轮廓，其x和y方向尺寸与液晶弹性体样品点状线相似，但高度更大。（iii）膨胀纸线条的二维轮廓，显示高度为170 μm。 （d）一位参与者在液晶弹性体材料（i）和膨胀纸（ii）条件下，对测试刺激相对于参考刺激顺时针旋转比例的拟合心理测量曲线。刚好可察觉差异通过计算参与者有84%和50%的时间认为测试刺激相对于参考刺激顺时针旋转时的刺激方向差的绝对值得到，如图中虚线所示。x轴为测试刺激的方向（度），y轴为参与者认为测试刺激相对于参考刺激顺时针旋转的比例。 （e）所有参与者在两种材料下刚好可察觉差异的箱线图。
总而言之，这项研究成功开发了一种基于液晶弹性体的、可刷新、可寻址的触觉显示平台，并通过实验验证了其良好的机械性能、耐久性和人机交互可行性。该技术的突破性在于其将复杂的形变功能集成于单一、轻薄的材料涂层中，避免了传统机械式触觉显示器的诸多弊端。研究团队认为，该技术有望与现有的显示屏、虚拟/增强/混合现实设备乃至手术机器人控制器等主流人机界面相结合，为构建更具包容性和沉浸感的未来虚拟世界提供关键的触觉交互基础。这项工作标志着液晶弹性体材料在通往下一代动态触觉界面的道路上迈出了坚实而重要的一步。
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