作者：Pete Bartolik

隨著數(shù)字工具和服務(wù)的設(shè)備日益普及和實(shí)用，越來越多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師開始集成觸覺技術(shù)，以確保更高的用戶參與度并提供更沉浸的體驗(yàn)。通過提供觸摸式感覺增強(qiáng)數(shù)字界面，增加觸覺互動(dòng)，創(chuàng)造補(bǔ)充或超越視覺和聽覺的額外體驗(yàn)?？释糜|覺功能的設(shè)計(jì)師可以利用現(xiàn)成的元件來開發(fā)新的用例和商機(jī)。

從智能手機(jī)到汽車，再到收銀機(jī)和自動(dòng)取款機(jī)，觸覺技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種引人注目的消費(fèi)產(chǎn)品中。它們還用于醫(yī)療設(shè)備和手術(shù)工具、工業(yè)和制造機(jī)械以及樓宇自動(dòng)化應(yīng)用。

觸覺學(xué)的起源可以追溯到 1880 年，當(dāng)時(shí) Pierre 和 Jacques Curie 展示了某些材料的壓電效應(yīng)，通過施加機(jī)械力可產(chǎn)生微小的電荷。當(dāng)施加電壓時(shí)，反向壓電效應(yīng)會(huì)使材料產(chǎn)生物理運(yùn)動(dòng)，早期的超聲波潛艇探測和機(jī)載無線電系統(tǒng)就是利用這種效應(yīng)開發(fā)的。這些原理也是小型揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)甚至音樂賀卡中常用的致動(dòng)器和傳感器的核心。

將觸覺功能與虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 相結(jié)合，有可能大大提高用戶與現(xiàn)有設(shè)備的互動(dòng)性，并為新應(yīng)用鋪平道路。壓電觸覺致動(dòng)器為虛擬互動(dòng)增添了逼真的觸感，振動(dòng)提供了自然且引人入勝的響應(yīng)感，例如模擬從賽車到武器射擊的游戲體驗(yàn)。

在克服視覺或聽覺限制識(shí)別關(guān)鍵警報(bào)的因素方面，觸覺技術(shù)可以發(fā)揮重要作用。例如，在醫(yī)療環(huán)境中，觸覺技術(shù)可以幫助從業(yè)人員更快地對多種輸入做出反應(yīng)，在這種情況下，每一秒都可能對健康結(jié)果產(chǎn)生影響，因此觸覺技術(shù)可以證明是救命的技術(shù)。

感受未來：應(yīng)用和用例

觸覺技術(shù)的潛力只受限于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的想像力。隨著 AR 和 VR 的普及，以及人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 的不斷發(fā)展，觸覺技術(shù)很可能會(huì)在為各行各業(yè)提供越來越多的沉浸式數(shù)字體驗(yàn)方面發(fā)揮突出作用，具體包括：

• 在 醫(yī)療領(lǐng)域 ，觸覺技術(shù)已經(jīng)開始在機(jī)器人輔助手術(shù)和侵入性牙科手術(shù)中發(fā)揮作用，幫助復(fù)現(xiàn)醫(yī)生在多年實(shí)踐中獲得的觸覺體驗(yàn)。通過與 VR 技術(shù)相結(jié)合，觸覺技術(shù)可以模擬真實(shí)世界的手術(shù)過程，提供從揮動(dòng)手術(shù)刀到觸摸心臟的親身體驗(yàn)，從而推動(dòng)醫(yī)療技能的學(xué)習(xí)。觸覺技術(shù)可以促進(jìn)患者康復(fù)，幫助中風(fēng)患者重新學(xué)習(xí)關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)技能，并為截肢者提供克服機(jī)械假肢局限性的能力。
• 在汽車用例中，觸覺技術(shù)已經(jīng)在為汽車駕駛員提供車道偏離和未能正確握住方向盤的觸覺警告。智能手表與導(dǎo)航系統(tǒng)的集成可以提醒操作員即將轉(zhuǎn)彎，從而減少他們將視線轉(zhuǎn)移到車載屏幕上地圖的需要。
• 在工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域，重型設(shè)備操作員和生產(chǎn)線工人很容易因?yàn)榭窗粹o或屏幕而分心。觸覺技術(shù)可以幫助他們專注于前方或后方的任務(wù)，同時(shí)確認(rèn)他們做出了正確的選擇，而無需將目光移開。我們還可以將觸覺技術(shù)集成到手套和衣服中，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的精確遠(yuǎn)程控制、提升分揀操作的準(zhǔn)確性，以及在潛在危險(xiǎn)環(huán)境中提供反饋或警報(bào)。
• 在零售和金融服務(wù)領(lǐng)域，客戶在日常與收銀機(jī)和自動(dòng)取款機(jī)的常見接觸中都會(huì)體驗(yàn)到觸覺，例如使用銀行卡和移動(dòng)設(shè)備確認(rèn)互動(dòng)。將觸覺技術(shù)和 AR/VR 技術(shù)相結(jié)合，就有可能帶來豐富的在線購物體驗(yàn)，讓消費(fèi)者以虛擬方式復(fù)制他們在實(shí)體零售店的購物體驗(yàn)。
• 在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，已證明觸覺技術(shù)已經(jīng)十分成熟。第一款觸摸屏智能手機(jī)在 2000 年的消費(fèi)電子展上即已推出，該技術(shù)很快被安卓和蘋果智能手機(jī)所采用，最初是為了幫助提升用戶在虛擬鍵盤上打字和按屏幕圖標(biāo)時(shí)的體驗(yàn)。但觸覺技術(shù)早在 20 世紀(jì) 90 年代就通過豐富視頻游戲玩家的體驗(yàn)取得了成功，控制器和配件（如方向桿）為駕駛和射擊游戲等提供了觸覺反饋。隨著消費(fèi)設(shè)備和數(shù)字服務(wù)（從健身追蹤器到 AR/VR 頭戴式設(shè)備和眼鏡）的不斷發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師們正競相開發(fā)新功能，使數(shù)字世界與實(shí)體世界一樣觸手可及。

獲得成功的元件：滿足各種需求的選擇

產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以使用現(xiàn)成的元件產(chǎn)品組合，打造符合其規(guī)格和應(yīng)用需求的觸覺界面。

第一步要了解現(xiàn)有技術(shù)及其設(shè)計(jì)要求之間的差異。機(jī)電組件是提供觸覺反應(yīng)的最常見技術(shù)。它們通常分為以下幾大類：

• 偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM) 致動(dòng)器，利用連接到直流電機(jī)的離軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊來產(chǎn)生振動(dòng)，從而帶來低頻“ 轟鳴”感覺（圖 1）。該致動(dòng)器的振動(dòng)頻率與設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電壓直接相關(guān)。由于在施加電壓時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)只需很短的時(shí)間就能達(dá)到所需的速度，并使電機(jī)減速至停止，因此它們最適用于需要明顯振動(dòng)效果，但不嚴(yán)格需要精確振動(dòng)模式的應(yīng)用場合。[PUI Audio] 提供多種 ERM 致動(dòng)器，包括表面貼裝型 [HD-EMB1104-SM-2]，它采用 3.4 mm x 4.4 mm x 11 mm 的小型封裝，可提供強(qiáng)烈的觸覺反饋。它適用于醫(yī)療、汽車或工業(yè)領(lǐng)域；消費(fèi)或便攜設(shè)備；或安全設(shè)備。另一種選擇是 PCI Audio [HD-EM0602-LW15-R] 無刷直流 ERM，與有刷致動(dòng)器相比，其速度和扭矩控制更佳，使用壽命更長。

圖 1：ERM 致動(dòng)器零件分解圖。（來源：PUI Audio）

• 線性諧振致動(dòng)器 (LRA) 零件（圖 2）由交流電驅(qū)動(dòng)，沿一個(gè)軸向產(chǎn)生兩個(gè)方向的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率、反應(yīng)靈敏的振動(dòng)模式，為用戶提供有效信息。當(dāng)線圈受到施加到設(shè)備上的信號(hào)頻率和電壓的激勵(lì)時(shí)，LRA 通過使質(zhì)量塊沿線性方向移動(dòng)來產(chǎn)生振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)強(qiáng)度和頻率的獨(dú)立控制。與 ERM 不同的是，使用配備 LRA 的設(shè)備時(shí)，只要線圈受到激勵(lì)，質(zhì)量塊會(huì)向上或向下移動(dòng)，用戶就會(huì)感覺到振動(dòng)。這種技術(shù)與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器有關(guān)，在傳統(tǒng)揚(yáng)聲器中，線圈受到波形激勵(lì)，使磁鐵和振膜移動(dòng)并產(chǎn)生聲波。PUI Audio 的 [HD-LA1307-SM]是一款 IP 級(jí)的防水表面貼裝 LRA，可無縫集成到各種終端應(yīng)用中，如虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境、游戲機(jī)、醫(yī)療模擬器、手持設(shè)備以及消費(fèi)和工業(yè)控制接口。

圖 2：LRA 的零件分解圖。（來源：PUI Audio）

• 音圈電機(jī) (VCM)，亦稱音圈致動(dòng)器 (VCA) （圖 3），采用與 LRA 相同的音圈技術(shù)，但更類似于揚(yáng)聲器。質(zhì)量塊像 LRA 一樣線性移動(dòng)，但尺寸和質(zhì)量都有所增大，產(chǎn)生的振動(dòng)效果比 LRA 更真實(shí)、更強(qiáng)烈。PUI Audio 的 [HD-VA2527] 圓柱形 VCM 可提供靈活而復(fù)雜的振動(dòng)效果。

圖 3：VCA 零件分解圖。（來源：PUI Audio）

• 壓電觸覺元件，通常稱為壓電彎曲片或蜂鳴器，它們基于反向壓電效應(yīng)，由平整的有源壓電材料層組成，在施加電壓時(shí)會(huì)彎曲和收縮，從而產(chǎn)生聲音和振動(dòng)。它們既有像 PUI Audio 的 [HD-PAB1501] 這樣的圓盤，也有像 [HD-PAS2507] 這樣的條帶。壓電彎曲片可以發(fā)出更復(fù)雜、更細(xì)膩的信號(hào)，如心跳聲，帶來前所未有的真實(shí)感。這些元件具有更高的位移精度、更快的響應(yīng)速度、更強(qiáng)的動(dòng)力能力和更長的使用壽命。與 ERM 和 LRA 相比，它們確實(shí)需要更高的電壓，但設(shè)計(jì)師可以利用“彎曲片驅(qū)動(dòng)器”集成電路來滿足低壓源的電壓要求。

結(jié)語

觸覺技術(shù)產(chǎn)品組合現(xiàn)在已經(jīng)非常豐富，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以利用現(xiàn)成的元件將觸覺技術(shù)集成到其設(shè)備中。但他們必須評估哪種類型的振動(dòng)適合其設(shè)計(jì)，以及每種執(zhí)行器在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范、最終用戶需求和特定應(yīng)用方面的優(yōu)勢和局限性。有了正確的設(shè)計(jì)選擇，就有可能創(chuàng)造出新的觸覺產(chǎn)品，從而帶來新的商機(jī)。

審核編輯 黃宇