力觸覺(jué)技術(shù)

何謂Haptics?

Haptics通過(guò)硬件與軟件結(jié)合的觸覺(jué)反饋機(jī)制，模擬人的真實(shí)觸覺(jué)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(jué)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(guò)，這也是從事Haptics領(lǐng) 域研究的樂(lè)趣之一——尤其是對(duì)興趣廣泛的研究者來(lái)說(shuō)。

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(gòu)：現(xiàn)實(shí)中，我們通過(guò)觸摸感受材料的質(zhì)地 與紋理，網(wǎng)購(gòu)則無(wú)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(lái)能模擬商品的真實(shí)紋理與質(zhì)地，那么網(wǎng)購(gòu)體驗(yàn)將會(huì)有革命性的提升。

虛擬觸覺(jué)的“RGB三原色”

正如老話說(shuō)，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(jué)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(jué)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(kāi)發(fā)了多種Haptics設(shè)備原型，能實(shí) 現(xiàn)鍵盤的觸覺(jué)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(jué)反饋的鍵盤許多。而歸類來(lái)說(shuō)，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。

還可通過(guò)收縮表面，模擬按鍵咔嗒的感覺(jué)。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(guò)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(kāi)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(guò)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(jué)。

由此也可見(jiàn)，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(yǔ)，到被寄予希望的未來(lái)技術(shù)，Haptics正逐漸走向我們的日常工作和生活。Amara法則說(shuō)，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(lái)越和現(xiàn)實(shí)世界水乳 交融的過(guò)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。

    應(yīng)用趨勢(shì)

　　力觸覺(jué)（Haptics）將推動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療進(jìn)入具有現(xiàn)場(chǎng)沉浸感的狀態(tài)

　　力觸覺(jué)技術(shù)可以傳遞壓力，溫度、紋理、速度、加速度、震動(dòng)等各種信息，就像人在現(xiàn)場(chǎng)真正的觸摸一樣，反饋給操作者真實(shí)的感受。

　　很多學(xué)者據(jù)此認(rèn)為，力觸覺(jué)技術(shù)將在人工智能的進(jìn)化中起著不可磨滅的作用。

　　按照Okamura教授的說(shuō)法，即使是健康人，也需要力觸覺(jué)技術(shù)，比如力觸覺(jué)技術(shù)可以幫助人類遠(yuǎn)離危險(xiǎn)和復(fù)雜的工作環(huán)境或者危險(xiǎn)場(chǎng)所，甚至與戰(zhàn)爭(zhēng)有關(guān)的場(chǎng)景排雷、拆彈等。

　　但是對(duì)于普通百姓而言，最有價(jià)值的應(yīng)用當(dāng)屬于醫(yī)療和教育兩個(gè)領(lǐng)域。這一點(diǎn)其實(shí)從Okamura教授的研究團(tuán)隊(duì)主要資助捐助者也可以窺見(jiàn)一斑：美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院。

　　在醫(yī)療應(yīng)用上，Okamura教授認(rèn)為，遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人最大的挑戰(zhàn)就是醫(yī)生對(duì)遠(yuǎn)程的操作不能獲得現(xiàn)場(chǎng)手術(shù)般的感受，從而不能精準(zhǔn)的控制機(jī)器人，將會(huì)給病人帶來(lái)痛苦和災(zāi)難。

　　在現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比的外傷縫合外科視頻中，我們看到應(yīng)用了力觸覺(jué)反饋技術(shù)的遠(yuǎn)程外科機(jī)器人沒(méi)有把線弄斷，這是因?yàn)椴僮髡吣軌蚋惺艿嚼毒€的張力大小。

　　眾所周知，醫(yī)療資源的不均衡是我們?nèi)祟惿鐣?huì)面臨的重要挑戰(zhàn)之一，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)大部分的應(yīng)還停留在通過(guò)視頻望聞問(wèn)切，遠(yuǎn)程會(huì)診的階段。

　　力觸覺(jué)技術(shù)的出現(xiàn)和醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，我相信將改變醫(yī)療資源的配置模式，而這種配置模式，是不以犧牲治療效果和病人安全為代價(jià)的。

　　力觸覺(jué)（Haptics）將改變?cè)诰€教育為學(xué)生創(chuàng)造可感知的教學(xué)

　　教育是力觸覺(jué)技術(shù)將發(fā)揮重大價(jià)值的另一外一個(gè)領(lǐng)域。在教育行業(yè)的Haptics儀器已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在數(shù)學(xué)、物理學(xué)教學(xué)中，幫助學(xué)生們更好的理解理論概念。

　　尤其是在K12領(lǐng)域，Okamura教授的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為"Rumble pack”的游戲，這是一個(gè)手提式的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的視頻游戲，幫助學(xué)生們理解物理概念。

　　在美國(guó)，為小學(xué)學(xué)生和老師開(kāi)發(fā)的力觸覺(jué)設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始使用。

　　有一種稱為Haptic Paddle低成本的力反饋設(shè)備就已經(jīng)在很多全球的大學(xué)用來(lái)教學(xué)力觸覺(jué)。

　　阿姆斯特朗大西洋州立大學(xué)的Felix G. Hamza-Lup曾經(jīng)在2008年就發(fā)表過(guò)《Feel the Pressure： E-learning Systems with Haptic Feedback》文章，在那篇文章中他介紹了一個(gè)模擬力觸覺(jué)的電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

　　在這方面的討論美國(guó)非常熱烈，很多是用來(lái)討論物理學(xué)教學(xué)的應(yīng)用。

　　比如俄亥俄大學(xué)的就開(kāi)發(fā)了一個(gè)Interactive Virtual Haptics-augmented Training System for Undergraduate Engineering。

　　與美國(guó)相比，我們中國(guó)在K12上的在線教育大多還停留在信息和內(nèi)容的整理與聚合上，類似力觸覺(jué)這樣能夠推動(dòng)改變教學(xué)模式的前瞻性技術(shù)研究和應(yīng)用，尤其是產(chǎn)品還少之又少。

　　筆者認(rèn)為，在在線教育領(lǐng)域，中國(guó)也將繼美國(guó)之后，力觸覺(jué)技術(shù)和相關(guān)的產(chǎn)品將會(huì)，也應(yīng)該獲得大量的應(yīng)用。

　　這對(duì)于提高中國(guó)兒童的動(dòng)手能力，發(fā)揮想象力，將會(huì)有巨大的價(jià)值。

　　未來(lái)：可穿戴與智能手機(jī)集成，將延伸個(gè)人的觸覺(jué)

　　2009 年，蘋果曾經(jīng)申請(qǐng)了一項(xiàng)名為“本地化觸覺(jué)反饋裝置”的專利，這項(xiàng)專利是為屏幕增加觸摸反饋功能，以更真實(shí)地模擬出物體的質(zhì)感。

　　顯然，肢體接觸是人類融洽關(guān)系，增進(jìn)親密，傳遞感情的重要渠道和方式，我們很難想象失去觸覺(jué)世界會(huì)變得怎么樣。

　　好消息是，除了蘋果之外，還有更多的公司和大學(xué)在致力于力觸覺(jué)技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)，比如開(kāi)源的OpenHaptics是一個(gè)開(kāi)源的力觸覺(jué)開(kāi)發(fā)組件，可以幫助開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)基于力觸覺(jué)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。比如Geomagic 、HAPTION、Novint Grip等提供各種力反饋設(shè)備。

　　在未來(lái)，隨著可穿戴和智能手機(jī)的發(fā)展，力觸覺(jué)設(shè)備小型化和與智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備集成，將為時(shí)不遠(yuǎn)。彼時(shí)，或許我們真的可以借助力觸覺(jué)安慰遠(yuǎn)在它鄉(xiāng)哭泣的戀人，思念的撫摸，可愛(ài)的兒女。

　　更為重要的是，他會(huì)改變我們的疾病治療、教育學(xué)習(xí)和社會(huì)交往。