Haptics技術(shù)：真實(shí)觸摸屏幕里的一草一木

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，大致可以分為對表皮，以及對肌肉中感受器刺激兩類。

對普通人來說，前者其實(shí)并不陌生，手機(jī)上的“振動”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”。事實(shí)上這項(xiàng)技術(shù)遠(yuǎn)非如此簡單，只是因?yàn)檎駝蛹夹g(shù)容易實(shí)現(xiàn)，而且商業(yè)化產(chǎn)品成熟低價(jià)。振動其實(shí)只是Haptics領(lǐng)域的很小一部分，在許多場景下 (例如按鍵反饋)，以振動作為觸覺反饋的效果都不夠好。

而與這兩類輸入對應(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。以振動反饋為例，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)角度了解人體對哪些頻率的振動最為敏感。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，人們在面對面交談時，一方看手表的動作往往會引發(fā)對方不適，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)確時間，這類生活中的窘境便迎刃而解。另外一個例子是網(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，則相對難以實(shí)現(xiàn)。此外，由于三個維度往往分別單獨(dú)采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而在完成最終產(chǎn)品時，還要考慮三者是否能夠相互兼容，同時實(shí)現(xiàn)。

在微軟亞洲研究院，我們對如何在消費(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)生振動時，帶動表面也同時發(fā)生上下位移。

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。配合對手指位置的精確感知，以及相應(yīng)位置電信號強(qiáng)度的變化，將讓我們產(chǎn)生接觸表面的粗糙程度發(fā)生了改變的錯覺。

由此也可見，Haptics是一種交互，不僅與“顯示”有關(guān)，還與動作捕捉及感應(yīng)緊密關(guān)聯(lián)。在意識到這一點(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， 會變得跟現(xiàn)實(shí)世界一樣細(xì)膩豐富。要讓夢想更快地實(shí)現(xiàn)，還有賴于研究者們更多的關(guān)注和科研突破。

關(guān)于作者

張虹(Hong Zhang)現(xiàn)任微軟亞洲研究院高級研究員與人機(jī)交互組的經(jīng)理。她目前也是美國普渡大學(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 在英國牛津大學(xué)訪問；作為 Visiting Associate Professor 在美國斯坦福大學(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，并在多個國際學(xué)術(shù)期刊編委會中擔(dān)任重要職務(wù)。