Haptics技术：真实触摸屏幕里的一草一木

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。

关于作者

张虹(Hong Zhang)现任微软亚洲研究院高级研究员与人机交互组的经理。她目前也是美国普渡大学电子与计算机工程学院教授，机械工程学院客座教授，心理科学系客座教 授。她在美国麻省理工学院(MIT)获得硕士和博士学位；在上海交通大学获得学士学位。她曾担任美国麻省理工学院媒体实验室的研究员(Research Scientist at MIT Media Lab)；曾获得McDonnell Visiting Fellowship 在英国牛津大学访问；作为 Visiting Associate Professor 在美国斯坦福大学计算机系访问和工作；并曾是上海交通大学生命科学与技术研究所的客座研究员。她在基于触摸的人机界面以及触摸感知技术的研究领域享有盛誉，已经发表一百多篇具有广泛影响的学术论文，并在多个国际学术期刊编委会中担任重要职务。