DOI: https://doi.org/10.1109/access.2026.3667732
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهندسة البشرية واضطرابات الجهاز العضلي الهيكلي
نظرة عامة
تقدم هذه البحث واجهة حرارية لمسية مبتكرة تعتمد على القماش مصممة للواقع الافتراضي والعمليات عن بُعد، تتميز ببنائها الخفيف للغاية الذي يبلغ وزنه 2 جرام فقط لكل وحدة إصبع. يستخدم النظام التشغيل الهوائي والقماش الموصل، حيث يتم تضمين عناصر التسخين داخل غرف هوائية قماشية لتوفير كل من الضغط المعدل والمحفزات الحرارية لأطراف الأصابع. تكشف الاختبارات الشاملة عن قدرات تعديل حراري سريعة، حيث تحقق معدلات تسخين تصل إلى 3 درجات مئوية/ثانية، ونظام فرعي هوائي يمكنه توليد قوى تصل إلى 8.93 نيوتن عند 50 كيلو باسكال. تحسين الفجوة بين وسادة الإصبع والمحرك إلى 2 مم يعزز كفاءة التبريد مع الحفاظ على 86% من أقصى قوة إنتاج.
تؤكد دراسات المستخدمين فعالية الجهاز، حيث تظهر دقة عالية في تحديد درجة الحرارة تصل إلى 98% عبر ثلاثة مستويات حرارية وتحسينات كبيرة في مهام التلاعب الافتراضي. على وجه التحديد، زادت معدلات النجاح في هذه المهام من 88.5% إلى 96.4% (p = 0.029)، وتحسنت دقة التحكم في القوة (p = 0.013) عند تمكين التغذية الراجعة اللمسية. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات واجهة اللمس الحراري في تعزيز التفاعلات بين الإنسان والآلة، مما يمهد الطريق لتطبيقات في محاكاة التدريب، التدخلات العلاجية، والترفيه الغامر، مع الحفاظ على براعة وراحة المستخدم.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية التغذية الراجعة اللمسية في تطبيقات الواقع الافتراضي (VR)، مشددة على دورها في تعزيز انغماس المستخدم وتسهيل تنفيذ المهام المعقدة. تستخدم أنظمة اللمس الحديثة مجموعة متنوعة من المحركات في الأجهزة القابلة للارتداء لمحاكاة الأحاسيس اللمسية مثل الضغط، الاهتزاز، ودرجة الحرارة. من بين هذه الأنظمة، حازت المحركات الهوائية على اهتمام كبير بسبب مزاياها في الوزن، والامتثال، والجدوى الاقتصادية. وقد مكنت التقدمات الأخيرة في الأنظمة الهوائية المعتمدة على المطاط من دمج المستشعرات بنجاح للتحكم في الحلقة المغلقة، بينما تُلاحظ المحركات الهوائية المعتمدة على القماش، مثل محركات الكيس، لوزنها الخفيف وعملية تصنيعها البسيطة.
تناقش هذه الفقرة أيضًا أهمية التغذية الراجعة الحرارية في واجهات اللمس، مستفيدة من شبكة مستقبلات الحرارة في الجلد لاكتشاف التغيرات في درجة الحرارة. تم تطوير مجموعة متنوعة من الأجهزة اللمسية الحرارية، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة في تكرار الأحاسيس الحرارية الأصيلة. يتم استكشاف الأنظمة الحرارية المعتمدة على السوائل والأجهزة الحرارية الكهروحرارية (Peltier)، كل منها مع مزاياها وقيودها الخاصة. يقدم البحث نظامًا جديدًا لللمس الحراري والهوائي يعتمد على القماش يتميز بمحركات لمسية حرارية تعتمد على القماش (FTHAs)، والتي تجمع بين محركات الكيس الهوائية وسخانات كهربائية قماشية لتوفير تغذية راجعة لمسية وحرارية متزامنة. يتميز هذا النظام برقته، وخفته، واستجابته السريعة، مع دراسات المستخدمين التي تشير إلى إمكانياته في تعزيز واجهات الواقع الافتراضي والعمليات عن بُعد، خاصة في التطبيقات التي تتطلب تغذية راجعة حرارية سريعة.
الطرق
تستخدم منهجية التصنيع الموضحة في هذا القسم نهجًا منهجيًا لضمان الأداء المتسق وموثوقية الجهاز. تبدأ العملية بقص بالليزر بدقة لإنشاء قسمين مستطيلين من قماش مغطى بـ TPU ودائرة قماشية موصلة مربعة. يتم استخدام فيلم TPU إضافي لتسهيل دمج المكونات. تتضمن عملية التجميع الربط الحراري لمستشعر NTC (50 كيلو أوم عند 25 درجة مئوية) والدائرة القماشية على طبقة واحدة من القماش المغطى بـ TPU، تليها عملية ختم حراري لطبقة ثانية لتشكيل هيكل محرك كيس هوائي. ثم يتم ربط أنبوب هواء TPU باستخدام لاصق سيانوأكريلات للتحكم الهوائي، ويتضمن التجميع النهائي خياطة واجهة قماشية مرنة لتثبيت طرف الإصبع بشكل مريح.
تم تحسين المعلمات التصميمية الرئيسية لتعزيز الأداء الحراري واللمسي. تقيس الدائرة الموصلية 15 مم × 15 مم، مما يوفر مساحة كافية لتلامس طرف الإصبع، بينما تضمن مسارات الدائرة بعرض 3 مم توزيعًا متساويًا للتيار. يسمح الوضع المركزي لمستشعر الحرارة بقياس دقيق لدرجة الحرارة في المنطقة النشطة. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار أبعاد المحركات الهوائية بناءً على قياسات الأصابع المتوسطة، حيث تقيس 18 مم × 16 مم للإصبع السبابة و20 مم × 18 مم للإبهام، مما يضمن تلامسًا موثوقًا عبر مجموعة متنوعة من المستخدمين.
نقاش
يقدم البحث جهازًا لمسيًا حراريًا ناعمًا مصممًا لتعزيز التفاعل بين الإنسان والآلة، خاصة في سياقات الواقع الافتراضي (VR) والعمليات عن بُعد. يدمج هذا الجهاز اثنين من المحركات اللمسية الحرارية المعتمدة على القماش (FTHAs) داخل حزام معصم خفيف الوزن، مما يوفر تغذية راجعة لمسية وحرارية متزامنة لأطراف الأصابع. weighing only 2 g per actuator, significantly reduces user fatigue compared to traditional electromagnetic motor-based systems, which typically weigh between 10 to 50 g. تستخدم FTHAs محرك كيس هوائي لتعديل القوة ونظام تسخين كهربائي لإحساسات حرارية، محققة معدلات تسخين سريعة تصل إلى 3 درجات مئوية/ثانية وتحافظ على تحكم دقيق في درجة الحرارة ضمن نطاق مريح (25-50 درجة مئوية).
تكشف دراسات التوصيف عن توازن حرج بين الاستجابة الحرارية وإنتاج القوة، حيث تم تحديد فجوة مثالية بين وسادة الإصبع والمحرك تبلغ 2 مم للحفاظ على 86% من أقصى قوة إنتاج مع تعزيز كفاءة التبريد. تظهر دراسات المستخدمين فعالية الجهاز، حيث تحقق دقة تحديد درجة الحرارة تصل إلى 98% وتحسن كبير في معدلات نجاح المهام في التلاعب الافتراضي من 88.5% إلى 96.4% مع التغذية الراجعة اللمسية. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات الجهاز في التطبيقات المتعلقة بتدريب الواقع الافتراضي، التدخلات العلاجية، والترفيه الغامر، بينما تبرز أيضًا مجالات التحسين المستقبلية، مثل تحسينات التبريد السلبي واستكشاف المواد لتحسين الأداء الحراري.
DOI: https://doi.org/10.1109/access.2026.3667732
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Ergonomics and Musculoskeletal Disorders
Overview
This research presents an innovative fabric-based thermal-haptic interface designed for virtual reality and teleoperation, characterized by its ultra-lightweight construction of only 2 g per finger unit. The system employs pneumatic actuation and conductive fabric, embedding heating elements within textile pneumatic chambers to provide both modulated pressure and thermal stimuli to the fingertips. Comprehensive testing reveals rapid thermal modulation capabilities, achieving heating rates of up to 3 °C/s, and a pneumatic subsystem that can generate forces up to 8.93 N at 50 kPa. The optimization of fingerpad-actuator clearance to 2 mm enhances cooling efficiency while maintaining 86% of maximum force output.
User studies validate the effectiveness of the device, demonstrating a high temperature identification accuracy of 98% across three thermal levels and significant improvements in virtual manipulation tasks. Specifically, success rates in these tasks increased from 88.5% to 96.4% (p = 0.029), and force control precision improved (p = 0.013) when haptic feedback was enabled. These findings underscore the potential of the thermal-haptic interface for enhancing human-machine interactions, paving the way for applications in training simulations, therapeutic interventions, and immersive entertainment, while preserving user dexterity and comfort.
Introduction
The introduction highlights the significance of haptic feedback in virtual reality (VR) applications, emphasizing its role in enhancing user immersion and facilitating complex task execution. Modern haptic systems utilize various actuators in wearable devices to simulate tactile sensations such as pressure, vibration, and temperature. Among these, pneumatic actuators have gained attention for their advantages in weight, compliance, and cost-effectiveness. Recent advancements in rubber-based pneumatic systems have enabled successful sensor integration for closed-loop control, while fabric-based pneumatic actuators, like pouch motors, are noted for their lightweight and straightforward manufacturing process.
The section also discusses the importance of thermal feedback in haptic interfaces, leveraging the skin’s thermoreceptor network to detect temperature variations. Various thermal haptic devices have been developed, though challenges remain in replicating authentic thermal sensations. Fluid-based thermal systems and thermoelectric (Peltier) devices are explored, each with their respective advantages and limitations. The paper introduces a novel fabric-based thermal and pneumatic haptic system featuring fabric-based thermal haptic actuators (FTHAs), which combine pneumatic pouch motors with fabric electric heaters to provide synchronized haptic and thermal feedback. This system is characterized by its thinness, lightness, and rapid response, with user studies indicating its potential to enhance VR and teleoperation interfaces, particularly in applications demanding responsive thermal feedback.
Methods
The fabrication methodology outlined in this section employs a systematic approach to ensure the consistent performance and reliability of the device. The process begins with precision laser cutting to create two rectangular sections of TPU-coated fabric and a square woven conductive fabric circuit. A supplementary TPU film is utilized to facilitate the integration of components. The assembly process involves the thermal bonding of an NTC thermistor (50 kΩ at 25°C) and the fabric circuit onto one layer of TPU-coated fabric, followed by the heat-sealing of a second layer to form a pneumatic pouch motor structure. A TPU air tube is then bonded using cyanoacrylate adhesive for pneumatic control, and the final assembly includes sewing an elastic fabric interface for ergonomic fingertip attachment.
Key design parameters were optimized to enhance thermal and haptic performance. The conductive circuit measures 15 mm × 15 mm, providing sufficient fingertip contact area, while 3 mm-wide circuit traces ensure uniform current distribution. The central placement of the thermistor allows for accurate temperature measurement of the active area. Additionally, the dimensions of the pouch actuators were selected based on average finger anthropometrics, measuring 18 mm × 16 mm for the index finger and 20 mm × 18 mm for the thumb, thereby ensuring reliable contact across a diverse user population.
Discussion
The research presents a novel soft thermal haptic device designed for enhanced human-machine interaction, particularly in virtual reality (VR) and teleoperation contexts. This device integrates two fabric-based thermal haptic actuators (FTHAs) within a lightweight wrist strap, providing simultaneous haptic and thermal feedback to the fingertips. Weighing only 2 g per actuator, the device significantly reduces user fatigue compared to traditional electromagnetic motor-based systems, which typically weigh between 10 to 50 g. The FTHAs utilize a pneumatic pouch actuator for force modulation and an electric heating system for thermal sensations, achieving rapid heating rates of up to 3 °C/s and maintaining precise temperature control within a comfortable range (25-50 °C).
Characterization studies reveal a critical trade-off between thermal responsiveness and force output, with an optimal fingerpad-actuator clearance of 2 mm identified as maintaining 86% of maximum force output while enhancing cooling efficiency. User studies demonstrate the device’s effectiveness, achieving a temperature identification accuracy of 98% and significantly improving task success rates in virtual manipulation from 88.5% to 96.4% with haptic feedback. These findings underscore the device’s potential for applications in VR training, therapeutic interventions, and immersive entertainment, while also highlighting areas for future optimization, such as passive cooling enhancements and material exploration for improved thermal performance.