力觸覺技術

何謂Haptics?

Haptics通過硬件與軟件結合的觸覺反饋機制，模擬人的真實觸覺體驗。由于人體感受機制復雜，對Haptics技術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，前者其實并不陌生，手機上的“振動”就是一種表皮Haptics技術，不過許多人的誤解也源于此——認為Haptics等同于 “振動”。事實上這項技術遠非如此簡單，只是因為振動技術容易實現(xiàn)，而且商業(yè)化產品成熟低價。振動其實只是Haptics領域的很小一部分，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的技術則五花八門，跨越的技術領域特別廣泛。這也要求Haptics研究者需要了解許多領域的知識。以振動反饋為例，不但要 從電子工程和機械學角度知道如何最有效地利用電能、設計原件結構，還需從心理學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 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 應用了Haptics技術，只需手指輕輕一摸，便能知曉準確時間，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)實中，我們通過觸摸感受材料的質地 與紋理，網(wǎng)購則無法實現(xiàn)這一點，隨著Haptics技術的發(fā)展，如果平板電腦將來能模擬商品的真實紋理與質地，那么網(wǎng)購體驗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是一個嶄新的領域，難在建立研究的基準。我們類比視覺領域的既有研究成果，嘗試將 紋理分解成幾個獨立變量。如同光的三原色一樣，我們認為粗糙度、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?當前，Haptics的研究重點之一便是理解人們如何感受紋理。

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

在微軟亞洲研究院，我們對如何在消費產品及可穿戴設備中應用Haptics技術的研究頗感興趣，并且已開發(fā)了多種Haptics設備原型，能實 現(xiàn)鍵盤的觸覺反饋、在玻璃觸屏上實現(xiàn)類似物理按鈕般的效果。以鍵盤為例，在對照實驗中，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技術包含以下兩類。

一類是利用壓電效應。將壓電彎曲元件置于觸摸表面之下，當它們受到高壓產生振動時，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，因為不銹鋼片具有很強的面內剛度(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凹陷，在指尖產生類似輕觸開關般的咔嗒體驗。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。在下面的示意圖中，玻璃屏幕之上還附著有兩層材料。紅色的是導電層(例如ITO導電玻璃)，其上是絕緣層。當電信號通過導電 層，手指皮膚中將產生極性相反的感應電荷，手指與屏幕的摩擦力將受到這些感應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，卻并不能單獨感受到它們的存在。配合對手指位置的精確感知，以及相應位置電信號強度的變化，將讓我們產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，還與動作捕捉及感應緊密關聯(lián)。在意識到這一點之后，最近有一些技術展示，實現(xiàn)了極高的位置分辨率，進而能顯示非常細膩的紋理，實現(xiàn)燈芯絨般的手感。

從鮮為人知的術語，到被寄予希望的未來技術，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)實世界水乳 交融的過程里，人和機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)實世界一樣細膩豐富。要讓夢想更快地實現(xiàn)，還有賴于研究者們更多的關注和科研突破。

    應用趨勢

　　力觸覺（Haptics）將推動遠程醫(yī)療進入具有現(xiàn)場沉浸感的狀態(tài)

　　力觸覺技術可以傳遞壓力，溫度、紋理、速度、加速度、震動等各種信息，就像人在現(xiàn)場真正的觸摸一樣，反饋給操作者真實的感受。

　　很多學者據(jù)此認為，力觸覺技術將在人工智能的進化中起著不可磨滅的作用。

　　按照Okamura教授的說法，即使是健康人，也需要力觸覺技術，比如力觸覺技術可以幫助人類遠離危險和復雜的工作環(huán)境或者危險場所，甚至與戰(zhàn)爭有關的場景排雷、拆彈等。

　　但是對于普通百姓而言，最有價值的應用當屬于醫(yī)療和教育兩個領域。這一點其實從Okamura教授的研究團隊主要資助捐助者也可以窺見一斑：美國國家科學基金會和美國國家衛(wèi)生研究院。

　　在醫(yī)療應用上，Okamura教授認為，遠程手術機器人最大的挑戰(zhàn)就是醫(yī)生對遠程的操作不能獲得現(xiàn)場手術般的感受，從而不能精準的控制機器人，將會給病人帶來痛苦和災難。

　　在現(xiàn)場的對比的外傷縫合外科視頻中，我們看到應用了力觸覺反饋技術的遠程外科機器人沒有把線弄斷，這是因為操作者能夠感受到拉扯線的張力大小。

　　眾所周知，醫(yī)療資源的不均衡是我們人類社會面臨的重要挑戰(zhàn)之一，遠程醫(yī)療技術大部分的應還停留在通過視頻望聞問切，遠程會診的階段。

　　力觸覺技術的出現(xiàn)和醫(yī)療機器人技術的結合，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的。

　　力觸覺（Haptics）將改變在線教育為學生創(chuàng)造可感知的教學

　　教育是力觸覺技術將發(fā)揮重大價值的另一外一個領域。在教育行業(yè)的Haptics儀器已經(jīng)開始應用在數(shù)學、物理學教學中，幫助學生們更好的理解理論概念。

　　尤其是在K12領域，Okamura教授的團隊開發(fā)了一個名為"Rumble pack”的游戲，這是一個手提式的虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的視頻游戲，幫助學生們理解物理概念。

　　在美國，為小學學生和老師開發(fā)的力觸覺設備已經(jīng)開始使用。

　　有一種稱為Haptic Paddle低成本的力反饋設備就已經(jīng)在很多全球的大學用來教學力觸覺。

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

　　在這方面的討論美國非常熱烈，很多是用來討論物理學教學的應用。

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

　　與美國相比，我們中國在K12上的在線教育大多還停留在信息和內容的整理與聚合上，類似力觸覺這樣能夠推動改變教學模式的前瞻性技術研究和應用，尤其是產品還少之又少。

　　筆者認為，在在線教育領域，中國也將繼美國之后，力觸覺技術和相關的產品將會，也應該獲得大量的應用。

　　這對于提高中國兒童的動手能力，發(fā)揮想象力，將會有巨大的價值。

　　未來：可穿戴與智能手機集成，將延伸個人的觸覺

　　2009 年，蘋果曾經(jīng)申請了一項名為“本地化觸覺反饋裝置”的專利，這項專利是為屏幕增加觸摸反饋功能，以更真實地模擬出物體的質感。

　　顯然，肢體接觸是人類融洽關系，增進親密，傳遞感情的重要渠道和方式，我們很難想象失去觸覺世界會變得怎么樣。

　　好消息是，除了蘋果之外，還有更多的公司和大學在致力于力觸覺技術和設備的研發(fā)，比如開源的OpenHaptics是一個開源的力觸覺開發(fā)組件，可以幫助開發(fā)者開發(fā)基于力觸覺的驅動設備。比如Geomagic 、HAPTION、Novint Grip等提供各種力反饋設備。

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

　　更為重要的是，他會改變我們的疾病治療、教育學習和社會交往。