在觸屏上實(shí)現(xiàn)物理按鈕效果的Haptics技術(shù)

OFweek顯示網(wǎng)訊 張虹(Hong Z Tan)現(xiàn)任微軟亞洲研究院高級(jí)研究員與人機(jī)交互組的經(jīng)理。她目前也是美國(guó)普渡大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授，機(jī)械工程學(xué)院客座教授，心理科學(xué)系客座教授。她在美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)獲得碩士和博士學(xué)位；在上海交通大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位。她曾擔(dān)任美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究員(Research Scientist at MIT Media Lab)；曾獲得McDonnell Visiting Fellowship 在英國(guó)牛津大學(xué)訪問；作為 Visiting Associate Professor 在美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系訪問和工作；并曾是上海交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)研究所的客座研究員。她在基于觸摸的人機(jī)界面以及觸摸感知技術(shù)的研究領(lǐng)域享有盛譽(yù)，已經(jīng)發(fā)表一百多篇具有廣泛影響的學(xué)術(shù)論文，并在多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊編委會(huì)中擔(dān)任重要職務(wù)。

“我覺得自己漂浮在床上，卻又感受不到床的存在，我發(fā)現(xiàn)偶爾自己坐了起來，但馬上又倒下了——因?yàn)槲腋惺懿坏缴眢w。”

19歲那年，一種罕見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病奪去了Ian Waterman脖頸以下的全部觸覺和對(duì)肢體空間位置的感覺。Ian知道損壞的神經(jīng)無法復(fù)原，因而只能繞過它們，尋找一種新方式控制自己。他窮盡所能觀察、記憶、練習(xí)每個(gè)動(dòng)作應(yīng)當(dāng)如何觸發(fā)。普通人下意識(shí)就能自然完成的動(dòng)作，對(duì)Ian來說，都離不開雙眼觀察和頭腦思索如何讓一系列指令精確執(zhí)行。一年后，雖然如木偶般踉蹌，雖然他總要低著頭觀察腳步的移動(dòng)，但I(xiàn)an終于又能站起來走路了。Ian對(duì)抗命運(yùn)的故事寫進(jìn)了《Pride and a Daily Marathon》這本書和紀(jì)錄片《The Man Who Lost His Body》中。

而與Ian有著相似不幸遭遇的其他人，終生卻只能與輪椅為伴——你是否曾意識(shí)到，身處二維互聯(lián)網(wǎng)世界中的我們，在與機(jī)器交互的時(shí)候，其實(shí)并不比失去觸覺的人優(yōu)越多少。

指尖交互的困境

當(dāng)你每天用手指在手機(jī)、平板的玻璃屏幕點(diǎn)來劃去時(shí)，當(dāng)許多人將未來的交互暢想為用手指在這些玻璃屏幕背后顯示的界面上、甚至是空中操作時(shí)，你可能已經(jīng)忘卻了雙手是我們最靈活敏感的身體延伸。

我們的雙手既能感受巖石的鋒利堅(jiān)硬，也能體會(huì)絲綢的飄逸輕柔，能分辨沙土的松散干燥，也能區(qū)別油水的濕潤(rùn)粘稠。

敏感的觸覺讓我們能清楚知道書是否多翻過了一頁，即使在黑暗環(huán)境，我們也能只憑觸覺系好鞋帶，扣好襯衣紐扣，摸到鑰匙孔打開門鎖；然而在寒冷的冬日，當(dāng)雙手不再自如靈活，你也許體會(huì)過縱使有雙眼的幫助，仍無法做好這些事。

然而當(dāng)我們與“玻璃下的圖片”進(jìn)行交互時(shí)，其實(shí)是以視覺作為反饋的唯一方式，正如同將麻醉劑注入雙手，指尖對(duì)所有界面的觸覺感受都別無二致——在這樣的二維加視覺式的交互中，我們浪費(fèi)了造物主賦予的兩平米肌膚、兩百個(gè)關(guān)節(jié)與六百塊肌肉。而Haptics正是一門研究如何讓每個(gè)人的觸覺都能用于人機(jī)交互的前沿學(xué)科。

何謂Haptics？

Haptics通過硬件與軟件結(jié)合的觸覺反饋機(jī)制，模擬人的真實(shí)觸覺體驗(yàn)。由于人體感受機(jī)制復(fù)雜，對(duì)Haptics技術(shù)做清晰地分類并不容易，不過從感受輸入的角度，大致可以分為對(duì)表皮，以及對(duì)肌肉中感受器刺激兩類。

對(duì)普通人來說，前者其實(shí)并不陌生，手機(jī)上的“振動(dòng)”就是一種表皮Haptics技術(shù)，不過許多人的誤解也源于此——認(rèn)為Haptics等同于“振動(dòng)”。事實(shí)上這項(xiàng)技術(shù)遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單，只是因?yàn)檎駝?dòng)技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，而且商業(yè)化產(chǎn)品成熟低價(jià)。振動(dòng)其實(shí)只是Haptics領(lǐng)域的很小一部分，在許多場(chǎng)景下(例如按鍵反饋)，以振動(dòng)作為觸覺反饋的效果都不夠好。

而與這兩類輸入對(duì)應(yīng)的技術(shù)則五花八門，跨越的技術(shù)領(lǐng)域特別廣泛。這也要求Haptics研究者需要了解許多領(lǐng)域的知識(shí)。以振動(dòng)反饋為例，不但要從電子工程和機(jī)械學(xué)角度知道如何最有效地利用電能、設(shè)計(jì)原件結(jié)構(gòu)，還需從心理學(xué)角度了解人體對(duì)哪些頻率的振動(dòng)最為敏感。不過，這也是從事Haptics領(lǐng)域研究的樂趣之一——尤其是對(duì)興趣廣泛的研究者來說。

生活中的諸多不便都可能藉由Haptics技術(shù)的引入得到解決。比如，人們?cè)诿鎸?duì)面交談時(shí)，一方看手表的動(dòng)作往往會(huì)引發(fā)對(duì)方不適，倘若手表鏡面應(yīng)用了Haptics技術(shù)，只需手指輕輕一摸，便能知曉準(zhǔn)確時(shí)間，這類生活中的窘境便迎刃而解。另外一個(gè)例子是網(wǎng)購：現(xiàn)實(shí)中，我們通過觸摸感受材料的質(zhì)地與紋理，網(wǎng)購則無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，隨著Haptics技術(shù)的發(fā)展，如果平板電腦將來能模擬商品的真實(shí)紋理與質(zhì)地，那么網(wǎng)購體驗(yàn)將會(huì)有革命性的提升。

虛擬觸覺的“RGB三原色”

正如老話說，前景總是光明的，道路總是曲折的。Haptics是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，難在建立研究的基準(zhǔn)。我們類比視覺領(lǐng)域的既有研究成果，嘗試將紋理分解成幾個(gè)獨(dú)立變量。如同光的三原色一樣，我們認(rèn)為粗糙度、粘滯度、柔軟度很可能是觸覺的三個(gè)基本維度。在理解它們后，怎樣用機(jī)器模擬，以不同比例混合，是否有可能根據(jù)它們定義所有的紋理呢？當(dāng)前，Haptics的研究重點(diǎn)之一便是理解人們?nèi)绾胃惺芗y理。

粗糙度是我們研究最深，也是目前掌握最全面的技術(shù)，而粘滯度牽涉摩擦力，則相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)。此外，由于三個(gè)維度往往分別單獨(dú)采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而在完成最終產(chǎn)品時(shí)，還要考慮三者是否能夠相互兼容，同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

在微軟亞洲研究院，我們對(duì)如何在消費(fèi)產(chǎn)品及可穿戴設(shè)備中應(yīng)用Haptics技術(shù)的研究頗感興趣，并且已開發(fā)了多種Haptics設(shè)備原型，能實(shí)現(xiàn)鍵盤的觸覺反饋、在玻璃觸屏上實(shí)現(xiàn)類似物理按鈕般的效果。以鍵盤為例，在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，在擁有精確觸摸反饋的鍵盤上，其輸入速度和正確率都要高出單純利用視覺反饋的鍵盤許多。而歸類來說，這些原型中使用的Haptics技術(shù)包含以下兩類。

一類是利用壓電效應(yīng)。將壓電彎曲元件置于觸摸表面之下，當(dāng)它們受到高壓產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)表面也同時(shí)發(fā)生上下位移。[!--empirenews.page--]

還可通過收縮表面，模擬按鍵咔嗒的感覺。其原理是將一塊大的壓電元件粘合在不銹鋼片上，因?yàn)椴讳P鋼片具有很強(qiáng)的面內(nèi)剛度(in-plane stiffness)，通過向壓電元件施加高電壓，元件的收縮將引起不銹鋼片向一側(cè)凹陷，在指尖產(chǎn)生類似輕觸開關(guān)般的咔嗒體驗(yàn)。

我們還能以超聲波的頻率(20-40kHZ)振動(dòng)觸摸表面，令一層薄薄的空氣附于其上，這層空氣能讓指尖與表面的接觸部分變得特別順滑。

另一類是靜電效應(yīng)。在下面的示意圖中，玻璃屏幕之上還附著有兩層材料。紅色的是導(dǎo)電層(例如ITO導(dǎo)電玻璃)，其上是絕緣層。當(dāng)電信號(hào)通過導(dǎo)電層，手指皮膚中將產(chǎn)生極性相反的感應(yīng)電荷，手指與屏幕的摩擦力將受到這些感應(yīng)電荷相互作用力的影響。這些額外的作用力微小，我們只能體會(huì)到摩擦力發(fā)生了改變，卻并不能單獨(dú)感受到它們的存在。配合對(duì)手指位置的精確感知，以及相應(yīng)位置電信號(hào)強(qiáng)度的變化，將讓我們產(chǎn)生接觸表面的粗糙程度發(fā)生了改變的錯(cuò)覺。

由此也可見，Haptics是一種交互，不僅與“顯示”有關(guān)，還與動(dòng)作捕捉及感應(yīng)緊密關(guān)聯(lián)。在意識(shí)到這一點(diǎn)之后，最近有一些技術(shù)展示，實(shí)現(xiàn)了極高的位置分辨率，進(jìn)而能顯示非常細(xì)膩的紋理，實(shí)現(xiàn)燈芯絨般的手感。

從鮮為人知的術(shù)語，到被寄予希望的未來技術(shù)，Haptics正逐漸走向我們的日常工作和生活。Amara法則說，我們常常高估科技的短期影響力，而又低估其長(zhǎng)期影響力。在互聯(lián)網(wǎng)世界逐漸三維化，并越來越和現(xiàn)實(shí)世界水乳交融的過程里，人和機(jī)器的交互界面將不再受限于玻璃平面之下的二維世界法則，會(huì)變得跟現(xiàn)實(shí)世界一樣細(xì)膩豐富。要讓夢(mèng)想更快地實(shí)現(xiàn)，還有賴于研究者們更多的關(guān)注和科研突破。