FlexEar-尖端：使用压力控制的形状可调耳尖

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战：

  • 现有的耳塞型可穿戴设备（hearables）主要依赖于音频进行信息的传递，这种方式容易导致音乐或对话被中断或干扰。
  • 密闭式耳机设计虽然能够提供高质量的隔音效果，但使用户难以察觉周围环境声音（如接近的车辆或人声交谈），从而提高了交通风险。
  • 长时间使用的密闭耳塞会引起耳内湿度的增加，从而导致健康风险，如耳部感染。

• 重要性：

  • 随着hearables向多功能化信息终端的方向发展，其使用场景和时间延长，这些问题对用户的安全、健康以及用户体验提出了更高的挑战。
  • 需要探索新型多样化的信息交互模式，使其既能提供沉浸感，又无需完全依赖音频，同时改善健康相关问题。

• 研究动机与相关工作：

  • 现阶段已有关于热反馈、振动反馈等多感官信息交互的探索，但其信息切换速度和提示种类有限。
  • 研究方向需转向使用耳塞的动态可形变特性，为hearables提供无语音干扰的信息交互，同时关注物理形态干预（如形状变化和空气流动）对听力增强和健康管理的影响。

解决方案

• 提出的方案：

  • 开发了一种动态可调整耳塞系统“FlexEar-Tips”，通过气压控制动态改变耳塞形状，以实现不同的用户交互模式和功能增强，包括:
    1. 提供舒适性和功能性的形状调整。
    2. 改善耳道湿度。
    3. 增强听觉体验。
    4. 基于耳塞形态的触觉信息传递。

• 创新之处：

  • 使用气泵和电磁阀控制耳塞的充气和放气，实现耳塞大小的动态调整功能。
  • 提出耳内触觉反馈系统，以扩大基于音频的交互方式的边界。
  • 强调利用耳道这一对外部干扰敏感较低的区域，为未来传感应用和个性化调整提供新的可能性。

• 实施步骤和关键技术：

  • 硬件构成： 包括微控制器、气泵、空气压力传感器、电磁阀和音频驱动器等部件，通过空气压力调节耳塞体积。
  • 软硬件集成： 使用压力传感器实时监控耳塞形状变化，结合微控制器的PWM信号实现精确控制。
  • 功能实现： 验证系统在通知提示、听觉体验增强、声音定位和湿度调节中的适用性，包括对用户触觉感知的精准控制和对实验结果的分析。

研究成果

• 具体成果：

  1. 通知测试： 与基于音频的通知相比，基于触觉的通知在左右方向辨识上具有优越性，但音量和脉冲数的区分略显不足。
  2. 增强听觉体验： 触觉反馈与激烈的声音（如鼓声和爆炸声）匹配良好，大大增强了沉浸感，但对温和音乐（如钢琴）兼容性较差。
  3. 声音定位： 耳塞小尺寸状态下提高了前后方向的区分准确性（前后混淆率降低了 6.6 个百分点）。
  4. 湿度控制： 减少10%湿度恢复时间，但未达到开放状态下的高效率。

• 与现有解决方案相比的优势：

  • 通过物理形态动态调整（如耳塞的膨胀/收缩）实现功能的多样化，比如敏感的触觉反馈和对听觉特性的增强。
  • 在不会干扰音频体验的前提下提供触觉通知，这是音频通知无法实现的。
  • 提供了更灵活的湿度调节和居家健康管理的可能性。

• 实验或评估结果：

  • 基于16名参与者的实验，触觉和音频通知在概念和实用性测试中各有优势，但触觉通知在方向辨识上显现特别强的潜能。
  • 实验洞察到耳塞的适配性对触觉反馈的效果影响显著，尺寸适配性对用户体验十分重要。

• 局限性与未来方向：

  • 当前原型设备较大，较难长时间穿戴，需优化硬件的尺寸和功耗。
  • 防水性、耐用性和多次形状调整后的气密性仍需要改进。
  • 下一步计划研究更复杂的音频与触觉组合，以及如何提升湿度调节的能力。
  • 探索进一步微型化和实现实际应用场景中的多功能形态。