可穿戴力反馈设备能够通过向手部施加阻力或运动约束，帮助使用者感知虚拟物体的边界与接触状态，是提升虚拟现实和增强现实交互真实感的重要接口。现有不少力反馈手套采用笛卡尔空间反馈方式，通过电机、拉索或外骨骼机构向指尖施加反力。然而，一根手指包含多个串联关节，指尖反力通常由多个关节共同响应，难以直接呈现某一关节附近的局部运动约束。将反馈节点直接布置于不同关节，可以提供更明确的关节空间约束信息，但也对驱动器的质量、厚度、自由运动阻力和锁定承载能力提出了要求。
近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院、虚拟现实技术与系统全国重点实验室王党校教授团队在《Advanced Science》发表题为“MagGami: An Electromagnetic Origami Actuator With High Stiffness-Switching Density for Lightweight Joint-Space Wearable Haptics”的研究成果，提出微型电磁折纸可变刚度驱动器 MagGami。该研究将厚板折纸的几何互锁与电磁脉冲切换相结合，实现自由顺应与高阻力约束两种机械状态的可逆转换，并将九个独立驱动节点集成于手套，在轻量化穿戴条件下提供分布式关节空间力反馈，为虚拟交互中的局部边界与接触感知提供了新的实现方法。
与主要在指尖施加反力的方式相比，MagGami 将微型驱动节点直接布置于目标关节附近，使不同关节能够独立受到约束，或组合形成不同的受限模式（图1）。这种关节空间反馈架构能够提示约束发生的具体位置；各节点的微型化设计则有助于减小多关节集成带来的手部负担。
图1. MagGami 关节空间力反馈概念及驱动器结构。微型节点直接作用于目标关节，形成分布式局部约束。
首先，研究人员利用正交折痕构建厚板折纸互锁机构（图2）。主折痕与目标关节的旋转轴线对应，两侧活动板能够绕侧向折痕翻起。在自由状态下，侧板保持平展，主折痕可跟随手指屈伸；当侧板翻起至互锁区间，板件的空间边界关系发生改变，继续弯曲主折痕会引发几何干涉，从而形成明显的运动约束。同一结构由此承担自由运动和约束承载两种功能。
为控制这种构型转换，团队在活动侧板内嵌入永磁体，在基座上布置微型线圈。机构从平展构型开始切换时，正向短时电流脉冲驱动侧板翻起，机械限位限定其最终位置。进入锁定状态后，两侧永磁体之间的吸引作用与折纸互锁共同保持约束，线圈可以断电；施加反向脉冲后，侧板回落，机构恢复自由状态。样机在自由状态下仍采用微小保持电流，以增强不同穿戴姿态下的稳定性。
图2. 厚板折纸互锁与电磁脉冲切换原理。侧板翻起后形成几何约束，锁定保持阶段线圈断电，反向脉冲使机构释放。
在器件制备方面，研究人员采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S140，精度：10 μm） ，以 Tough 光敏树脂制造刚性折纸板件，并在板件中预留微型铰链通道和永磁体安装凹槽，为后续磁体嵌入与转轴装配提供结构基础（图3）。
随后，将钕铁硼永磁体嵌入活动侧板并通过紫外固化胶固定，再将直径为 0.3 mm 的碳纤维丝穿过相邻板件的铰链通道，形成微型转轴。结合单侧偏心轴布局，折纸机构本体厚度为 1.2 mm；集成线圈和基座后，单个模块总厚度为 2.5 mm，质量为 1.2 g。上述制备过程将薄板、微型转动连接和磁体安装界面集成于紧凑结构中，为驱动节点贴近手指关节布置提供了制造基础。
图3. MagGami 折纸机构制备流程。高精度打印板件后，依次完成磁体嵌入、紫外固化、碳纤维转轴装配与通道封固。
为验证驱动器的刚度切换和承载能力，团队对样机开展了响应与力学测试。结果表明，平均锁定响应时间为 102.8 ± 11.1 ms，平均释放响应时间为 141.7 ± 4.7 ms，锁定态与自由态的有效转动刚度比为 795.46 ± 61.71。单个模块在结构失效前可抵抗的最大外加载荷力矩为 76.25 ± 5.72 N·mm，体现了微型互锁结构的承载能力。
在能耗和循环稳定性方面，锁定保持阶段无需持续向线圈供电。在包含自由态弱保持、正向脉冲、锁定保持和反向脉冲的规定周期内，单个模块能耗为 444 mJ。五个独立样机完成 1000 次锁定与释放循环后，平均锁定刚度和最大抵抗力矩分别保留未循环组的 90.36% 和 94.80%，表明器件在所测试条件下具有重复工作能力。
研究人员进一步将九个可独立寻址的 MagGami 模块安装在拇指、食指和中指的相关关节位置，结合手部跟踪、虚拟场景和多通道驱动电路，构建关节空间力反馈手套，实现单关节及多关节组合约束（图4）。手指端组件质量为 16.33 g，包含前臂控制与供电单元的完整穿戴系统质量为 78.36g。
为评估关节空间约束的感知效果，团队组织十名参与者完成用户实验。全部节点锁定时的虚拟抓握主观刚度评分高于全部节点关闭时，并伴随更明显的表面肌电响应。单关节约束位置的平均识别准确率为 95.1 ± 3.9%，代表性多关节组合模式的平均识别准确率为 92.2 ± 4.6%。结果说明，使用者能够辨别局部约束发生的位置及其组合，分布式关节约束能够传递具有空间分布的信息。
图4. 九节点关节空间力反馈手套及用户实验。系统能够分别控制多个关节，并呈现可辨别的局部约束与组合模式。
总结：该研究通过微型厚板折纸结构、电磁脉冲切换和无源磁保持的结合，实现了兼顾轻量化、高刚度对比和低锁定保持功耗的关节级反馈模块。九节点手套及用户实验进一步表明，分布式关节约束能够传递可辨别的局部位置与组合信息，为可穿戴关节空间力反馈提供了实验基础。当前系统主要提供“自由—受限”两种状态的关节约束，可作为传统笛卡尔空间力反馈的补充，用于增强虚拟现实和增强现实中的边界与接触感知。
未来，这类模块还可探索与遥操作数据采集手套结合，在记录操作者动作的同时，将远端机器人或工具的接触、阻挡和运动边界映射为对应关节的反馈约束，为操作者增加视觉之外的交互线索，并有望改善示教数据质量与任务完成度。相关效果仍需结合具体机器人平台和任务开展验证。
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.78363
