开发能够同时呈现柔软度和热感的触觉显示技术具有重要意义。这类设备可在医学培训中模拟血管疾病的热学特征，也可在虚拟现实模拟中呈现不同材料各异的刚度和热发射率。本文介绍了一种多模态表面，将收缩式颗粒堵塞与流体热皮肤集成在一起。本文的贡献包括：展示无泵颗粒堵塞如何调和原本不兼容的技术；提出一种在不牺牲堵塞顺应性的前提下优化热传递的机械设计；并通过实验表征设备性能。
温控界面
热反馈由一层薄硅胶皮肤提供，该皮肤连接在堵塞容器的顶面。引导液体流经皮肤的通道由 Smooth-On Dragon Skin 10 FAST 浇铸而成，并连接到触摸表面。触摸表面由 Dragon Skin 10 FAST 与铜粉复合制成，网目尺寸为 325 μm，质量比为 60:40。铜复合层在相邻通道、温控液体与用户手指之间形成导热界面。纯硅胶则隔绝颗粒流体的大热容量。
性能与表征
设备性能通过可实现的柔软度变化范围，以及表面温度的范围和稳定性进行表征。
柔软度
采用闭环电流控制，分析显示器刚度随电机扭矩的变化。扭矩从 0 变化至 2 Nm，步进为 0.2 Nm。
温度
通过命令显示器达到并保持一个适中的设定温度，评估其闭环性能。测量达到设定温度所需的时间，以及达到设定值后的峰值误差。所有测量均采用上述系统进行。
热响应
为评估闭环性能，先将显示器加热至约 33°C，再将设定值设为 15°C。设备用了 12 分钟达到设定值，平均温度变化速率为每分钟 1.5°C。达到设定值后，测得温度在 15 分钟内保持在设定值的 ±0.2°C 范围内。
在所有测试中，从向显示器发送指令到观察到预期的加热或冷却响应，均存在 30 秒延迟。
讨论
原型展现出较大的可实现刚度范围，尽管热皮肤表面刚度较低，使初始接触刚度更容易受到影响。在 0–1 Nm 扭矩范围内，刚度也具有很高的可控性，且响应一致。由于热皮肤的弹性在被压入较软的堵塞基底时会积蓄势能，初期迟滞较大；但迟滞很快减小，此后保持稳定。这会明显影响触觉感受。
表面温度整体均匀性很好，几乎没有迹象表明水流经热皮肤时会损失热量。通道上方和通道之间的温度也总体稳定，说明铜硅胶复合材料能有效扩散热能。外部热成像照片表明，热层与堵塞基底之间的隔热效果良好，说明这种材料设计能够将热传递集中在显示器表面。
闭环控制的初步评估显示，温度偏差小于 1°C，通常为 ±0.2°C。仍需开展更深入的测试，以稳健地验证这一性能。尚未测试系统从扰动中恢复的能力。鉴于温度变化存在 30 秒延迟，动态响应略显不足。这可能是因为珀尔帖模块和流体系统的热惯性较弱，而流体系统本身的热容量相对较大。
需要更快冷热切换的应用可考虑配置独立的冷热水源，并根据目标温度泵入热水或冷水。本文所述系统可用于感知研究和医学模拟，这些应用通常不需要快速改变温度。
未来工作
未来工作将研究缩小显示区域所带来的响应速度提升。研究将通过缩小显示器尺寸并改进液体温度控制来提升动态响应。
科学研究将把该界面用于应对多感官体验设计中的已知挑战，并研究涉及柔软度和温度的跨模态对应关系。这些体验包括医学模拟，其中柔软度和温度（热或冷）是感染、恶性病变和血管疾病的重要指标；还包括能够从柔软度和温暖感中获益的情感触觉体验。
后续研究将探索触觉交互中的跨模态感知，包括通过材料的顺应性和导热性辨识物理材料，以及柔软度、温度和重量之间的相互作用——这是韦伯错觉的一种变体。
结论
本文证明，颗粒堵塞可作为多模态触觉界面的基础，将原本不兼容的技术结合起来，同时产生多种截然不同的感觉。研究通过在桌面级触觉设备中结合柔软度与温度变化，展示了这一点。未来研究将致力于改善动态性能，并利用这一能力探索此类跨模态触觉交互的感知特征与应用领域。
本研究获得 Imperial College-MIT Global Seed Fund 和 EPSRC pro2 Network+ 资助，项目编号为 EP/W020564/1。J. Brown 获得 Imperial College Digital Innovation Fund 资助。
常见问题
设备如何同时产生柔软度和温度感？ 它将收缩式颗粒堵塞与连接在堵塞容器上的流体热皮肤结合起来。
哪种材料有助于在触摸表面扩散热量？ 铜硅胶复合层在流体通道与用户手指之间形成导热界面。
显示器改变温度的速度有多快？ 在报告的测试中，设备从约 33°C 冷却至 15°C 设定值用了 12 分钟；从发送指令到出现预期响应之间观察到 30 秒延迟。
哪些应用可以使用这种多模态界面？ 论文指出，该界面可用于医学模拟和感知研究，包括涉及血管疾病、材料识别和情感触觉的体验。