力触觉技术

何谓Haptics?

Haptics通过硬件与软件结合的触觉反馈机制，模拟人的真实触觉体验。由于人体感受机制复杂，对Haptics技术做清晰地分类并不容易，不过从感受输入的角度，大致可以分为对表皮，以及对肌肉中感受器刺激两类。

对普通人来说，前者其实并不陌生，手机上的“振动”就是一种表皮Haptics技术，不过许多人的误解也源于此——认为Haptics等同于 “振动”。事实上这项技术远非如此简单，只是因为振动技术容易实现，而且商业化产品成熟低价。振动其实只是Haptics领域的很小一部分，在许多场景下 (例如按键反馈)，以振动作为触觉反馈的效果都不够好。

而与这两类输入对应的技术则五花八门，跨越的技术领域特别广泛。这也要求Haptics研究者需要了解许多领域的知识。以振动反馈为例，不但要 从电子工程和机械学角度知道如何最有效地利用电能、设计原件结构，还需从心理学角度了解人体对哪些频率的振动最为敏感。不过，这也是从事Haptics领 域研究的乐趣之一——尤其是对兴趣广泛的研究者来说。

生活中的诸多不便都可能藉由Haptics技术的引入得到解决。比如，人们在面对面交谈时，一方看手表的动作往往会引发对方不适，倘若手表镜面 应用了Haptics技术，只需手指轻轻一摸，便能知晓准确时间，这类生活中的窘境便迎刃而解。另外一个例子是网购：现实中，我们通过触摸感受材料的质地 与纹理，网购则无法实现这一点，随着Haptics技术的发展，如果平板电脑将来能模拟商品的真实纹理与质地，那么网购体验将会有革命性的提升。

虚拟触觉的“RGB三原色”

正如老话说，前景总是光明的，道路总是曲折的。Haptics是一个崭新的领域，难在建立研究的基准。我们类比视觉领域的既有研究成果，尝试将 纹理分解成几个独立变量。如同光的三原色一样，我们认为粗糙度、粘滞度、柔软度很可能是触觉的三个基本维度。在理解它们后，怎样用机器模拟，以不同比例混合，是否有可能根据它们定义所有的纹理呢?当前，Haptics的研究重点之一便是理解人们如何感受纹理。

粗糙度是我们研究最深，也是目前掌握最全面的技术，而粘滞度牵涉摩擦力，则相对难以实现。此外，由于三个维度往往分别单独采用不同的技术实现，而在完成最终产品时，还要考虑三者是否能够相互兼容，同时实现。

在微软亚洲研究院，我们对如何在消费产品及可穿戴设备中应用Haptics技术的研究颇感兴趣，并且已开发了多种Haptics设备原型，能实 现键盘的触觉反馈、在玻璃触屏上实现类似物理按钮般的效果。以键盘为例，在对照实验中，在拥有精确触摸反馈的键盘上，其输入速度和正确率都要高出单纯利用 视觉反馈的键盘许多。而归类来说，这些原型中使用的Haptics技术包含以下两类。

一类是利用压电效应。将压电弯曲元件置于触摸表面之下，当它们受到高压产生振动时，带动表面也同时发生上下位移。

还可通过收缩表面，模拟按键咔嗒的感觉。其原理是将一块大的压电元件粘合在不锈钢片上，因为不锈钢片具有很强的面内刚度(in-plane stiffness)，通过向压电元件施加高电压，元件的收缩将引起不锈钢片向一侧凹陷，在指尖产生类似轻触开关般的咔嗒体验。我们还能以超声波的频率(20-40kHZ)振动触摸表面，令一层薄薄的空气附于其上，这层空气能让指尖与表面的接触部分变得特别顺滑。

另一类是静电效应。在下面的示意图中，玻璃屏幕之上还附着有两层材料。红色的是导电层(例如ITO导电玻璃)，其上是绝缘层。当电信号通过导电 层，手指皮肤中将产生极性相反的感应电荷，手指与屏幕的摩擦力将受到这些感应电荷相互作用力的影响。这些额外的作用力微小，我们只能体会到摩擦力发生了改 变，却并不能单独感受到它们的存在。配合对手指位置的精确感知，以及相应位置电信号强度的变化，将让我们产生接触表面的粗糙程度发生了改变的错觉。

由此也可见，Haptics是一种交互，不仅与“显示”有关，还与动作捕捉及感应紧密关联。在意识到这一点之后，最近有一些技术展示，实现了极高的位置分辨率，进而能显示非常细腻的纹理，实现灯芯绒般的手感。

从鲜为人知的术语，到被寄予希望的未来技术，Haptics正逐渐走向我们的日常工作和生活。Amara法则说，我们常常高估科技的短期影响 力，而又低估其长期影响力。在互联网世界逐渐三维化，并越来越和现实世界水乳 交融的过程里，人和机器的交互界面将不再受限于玻璃平面之下的二维世界法则， 会变得跟现实世界一样细腻丰富。要让梦想更快地实现，还有赖于研究者们更多的关注和科研突破。

    应用趋势

　　力触觉（Haptics）将推动远程医疗进入具有现场沉浸感的状态

　　力触觉技术可以传递压力，温度、纹理、速度、加速度、震动等各种信息，就像人在现场真正的触摸一样，反馈给操作者真实的感受。

　　很多学者据此认为，力触觉技术将在人工智能的进化中起着不可磨灭的作用。

　　按照Okamura教授的说法，即使是健康人，也需要力触觉技术，比如力触觉技术可以帮助人类远离危险和复杂的工作环境或者危险场所，甚至与战争有关的场景排雷、拆弹等。

　　但是对于普通百姓而言，最有价值的应用当属于医疗和教育两个领域。这一点其实从Okamura教授的研究团队主要资助捐助者也可以窥见一斑：美国国家科学基金会和美国国家卫生研究院。

　　在医疗应用上，Okamura教授认为，远程手术机器人最大的挑战就是医生对远程的操作不能获得现场手术般的感受，从而不能精准的控制机器人，将会给病人带来痛苦和灾难。

　　在现场的对比的外伤缝合外科视频中，我们看到应用了力触觉反馈技术的远程外科机器人没有把线弄断，这是因为操作者能够感受到拉扯线的张力大小。

　　众所周知，医疗资源的不均衡是我们人类社会面临的重要挑战之一，远程医疗技术大部分的应还停留在通过视频望闻问切，远程会诊的阶段。

　　力触觉技术的出现和医疗机器人技术的结合，我相信将改变医疗资源的配置模式，而这种配置模式，是不以牺牲治疗效果和病人安全为代价的。

　　力触觉（Haptics）将改变在线教育为学生创造可感知的教学

　　教育是力触觉技术将发挥重大价值的另一外一个领域。在教育行业的Haptics仪器已经开始应用在数学、物理学教学中，帮助学生们更好的理解理论概念。

　　尤其是在K12领域，Okamura教授的团队开发了一个名为"Rumble pack”的游戏，这是一个手提式的虚拟现实环境下的视频游戏，帮助学生们理解物理概念。

　　在美国，为小学学生和老师开发的力触觉设备已经开始使用。

　　有一种称为Haptic Paddle低成本的力反馈设备就已经在很多全球的大学用来教学力触觉。

　　阿姆斯特朗大西洋州立大学的Felix G. Hamza-Lup曾经在2008年就发表过《Feel the Pressure： E-learning Systems with Haptic Feedback》文章，在那篇文章中他介绍了一个模拟力触觉的电子学习系统。

　　在这方面的讨论美国非常热烈，很多是用来讨论物理学教学的应用。

　　比如俄亥俄大学的就开发了一个Interactive Virtual Haptics-augmented Training System for Undergraduate Engineering。

　　与美国相比，我们中国在K12上的在线教育大多还停留在信息和内容的整理与聚合上，类似力触觉这样能够推动改变教学模式的前瞻性技术研究和应用，尤其是产品还少之又少。

　　笔者认为，在在线教育领域，中国也将继美国之后，力触觉技术和相关的产品将会，也应该获得大量的应用。

　　这对于提高中国儿童的动手能力，发挥想象力，将会有巨大的价值。

　　未来：可穿戴与智能手机集成，将延伸个人的触觉

　　2009 年，苹果曾经申请了一项名为“本地化触觉反馈装置”的专利，这项专利是为屏幕增加触摸反馈功能，以更真实地模拟出物体的质感。

　　显然，肢体接触是人类融洽关系，增进亲密，传递感情的重要渠道和方式，我们很难想象失去触觉世界会变得怎么样。

　　好消息是，除了苹果之外，还有更多的公司和大学在致力于力触觉技术和设备的研发，比如开源的OpenHaptics是一个开源的力触觉开发组件，可以帮助开发者开发基于力触觉的驱动设备。比如Geomagic 、HAPTION、Novint Grip等提供各种力反馈设备。

　　在未来，随着可穿戴和智能手机的发展，力触觉设备小型化和与智能手机、可穿戴设备集成，将为时不远。彼时，或许我们真的可以借助力触觉安慰远在它乡哭泣的恋人，思念的抚摸，可爱的儿女。

　　更为重要的是，他会改变我们的疾病治疗、教育学习和社会交往。