由： 威廉·哈里斯

　　三星Anycall觸覺(jué)。查看更多 手機(jī)圖片.

　　禮貌 三星如果你認(rèn)為 蘋(píng)果蘋(píng)果手機(jī) 太棒了，然后在三星的這款手機(jī)上大飽眼福 - 和手指。這款手機(jī)被稱(chēng)為Anycall Haptic，具有大型 觸摸屏 就像iPhone一樣顯示。但它至少在目前對(duì)蘋(píng)果的革命性小工具做得更好：它使用戶能夠感受到點(diǎn)擊、振動(dòng)和其他觸覺(jué)輸入?？傊鼮橛脩籼峁┝?2種觸摸感覺(jué)。

　　這些感覺(jué)解釋了名稱(chēng)中使用觸覺(jué)一詞的原因。觸覺(jué)來(lái)自希臘語(yǔ)“haptesthai”，意思是觸摸。作為形容詞，它的意思是與觸覺(jué)有關(guān)或基于觸覺(jué)。作為一個(gè)名詞，通常以復(fù)數(shù)形式(觸覺(jué))使用，它的意思是觸覺(jué)的科學(xué)和生理學(xué)?？茖W(xué)家們已經(jīng)研究了幾十年的觸覺(jué)，他們對(duì)觸覺(jué)的生物學(xué)了解很多。例如，他們知道皮膚中有哪些受體，以及神經(jīng)如何在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和接觸點(diǎn)之間來(lái)回傳遞信息。

　　不幸的是，計(jì)算機(jī)科學(xué)家很難將這種對(duì)觸摸的基本理解轉(zhuǎn)移到他們的 虛擬現(xiàn)實(shí) 系統(tǒng)。視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)線索很容易在計(jì)算機(jī)生成的模型中復(fù)制，但觸覺(jué)線索的問(wèn)題更大。幾乎不可能讓用戶通過(guò)典型的界面感受到計(jì)算機(jī)頭腦中發(fā)生的事情。確定 鍵盤(pán) 允許用戶輸入單詞，以及 操縱 桿 方向盤(pán)可以振動(dòng)。但是，用戶如何觸摸虛擬世界中的內(nèi)容呢?例如，視頻游戲玩家如何感受到他或她的角色武器的堅(jiān)硬冰冷的鋼鐵?在計(jì)算機(jī)模擬器中訓(xùn)練的宇航員如何感受到虛擬月球巖石的重量和粗糙質(zhì)地?

　　自 1980 年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)科學(xué)家一直在試圖回答這些問(wèn)題。他們的領(lǐng)域是觸覺(jué)學(xué)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)子集，稱(chēng)為 計(jì)算機(jī)觸覺(jué).在接下來(lái)的幾頁(yè)中，我們將通過(guò)以下方式介紹觸覺(jué)技術(shù)的工作原理：

　　將計(jì)算機(jī)觸覺(jué)與觸覺(jué)研究的相關(guān)領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)

　　表征逼真的虛擬觸摸所需的觸覺(jué)反饋類(lèi)型

　　檢查正在開(kāi)發(fā)中或目前在市場(chǎng)上可用的觸覺(jué)系統(tǒng)

　　探索當(dāng)前和潛在的應(yīng)用

　　當(dāng)然，觸覺(jué)學(xué)的美好未來(lái)在很大程度上歸功于它的歷史。在下一節(jié)中，我們將研究這段歷史，以了解計(jì)算機(jī)觸覺(jué)屬于觸覺(jué)研究的連續(xù)統(tǒng)一體。

　　觸覺(jué)連續(xù)體

　　HIRO是一種觸覺(jué)界面機(jī)器人，在2005年日本世界博覽會(huì)的原型機(jī)器人展覽會(huì)上幫助用戶感受恐龍。

　　木村順子/蓋蒂圖片社作為一個(gè)研究領(lǐng)域，觸覺(jué)與自動(dòng)化的興起和發(fā)展密切相關(guān)。在工業(yè)革命之前，科學(xué)家們專(zhuān)注于生物如何體驗(yàn)觸摸。生物學(xué)家了解到，即使是簡(jiǎn)單的生物，如 水母 和蠕蟲(chóng)，擁有復(fù)雜的觸摸反應(yīng)。在20世紀(jì)初，心理學(xué)家和醫(yī)學(xué)研究人員積極研究人類(lèi)如何體驗(yàn)觸摸。恰如其分地，這個(gè)科學(xué)分支被稱(chēng)為 人類(lèi)觸覺(jué)，它揭示了人類(lèi)的手，與觸覺(jué)相關(guān)的主要結(jié)構(gòu)，非常復(fù)雜。

　　這只手有 27 塊骨頭和 40 塊肌肉，包括位于前臂的肌肉，可提供極大的靈活性?？茖W(xué)家使用一種稱(chēng)為 自由度.自由度是由單個(gè)關(guān)節(jié)提供的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槿说氖职?22 個(gè)關(guān)節(jié)，所以它允許以 22 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。覆蓋手部的皮膚也富含受體和神經(jīng)，這些是神經(jīng)系統(tǒng)的組成部分，可將觸摸感覺(jué)傳達(dá)給 腦 和脊髓。

　　然后是機(jī)器和機(jī)器人的發(fā)展。這些機(jī)械設(shè)備還必須觸摸和感受它們的環(huán)境，因此研究人員開(kāi)始研究如何將這種感覺(jué)轉(zhuǎn)移到機(jī)器上。時(shí)代 機(jī)器觸覺(jué) 已經(jīng)開(kāi)始了。最早允許與遠(yuǎn)程物體進(jìn)行觸覺(jué)交互的機(jī)器是放置在桿子末端的簡(jiǎn)單杠桿和電纜驅(qū)動(dòng)的鉗子。通過(guò)移動(dòng)、定向和擠壓手槍握把，工人可以遠(yuǎn)程控制鉗子，鉗子可用于抓取、移動(dòng)和操縱物體。

　　在1940年代，這些相對(duì)粗糙的遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)得到了改進(jìn)，以服務(wù)于核材料和危險(xiǎn)材料工業(yè)。通過(guò)機(jī)器接口，工人可以操縱有毒和危險(xiǎn)物質(zhì)，而不會(huì)有暴露的風(fēng)險(xiǎn)。最終，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了取代機(jī)械連接的設(shè)計(jì) 電機(jī) 和電子信號(hào)。這使得將微妙的手部動(dòng)作傳達(dá)給遠(yuǎn)程操縱器比以往任何時(shí)候都更有效。

　　下一個(gè)重大進(jìn)步以電子計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)。起初，計(jì)算機(jī)用于在真實(shí)環(huán)境中控制機(jī)器(想想在汽車(chē)裝配廠控制工廠機(jī)器人的計(jì)算機(jī))。但到了1980年代，計(jì)算機(jī)可以生成虛擬環(huán)境——用戶可以進(jìn)入的3D世界。在這些早期的虛擬環(huán)境中，用戶只能通過(guò)視覺(jué)和聲音接收刺激。與模擬對(duì)象的觸覺(jué)交互多年來(lái)仍然受到限制。

　　然后，在1993年，麻省理工學(xué)院(MIT)的人工智能實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了一種提供觸覺(jué)刺激的設(shè)備，最終使觸摸和感受計(jì)算機(jī)生成的物體成為可能。參與該項(xiàng)目的科學(xué)家開(kāi)始將他們的研究領(lǐng)域描述為計(jì)算機(jī)觸覺(jué)，以將其與機(jī)器和人類(lèi)觸覺(jué)區(qū)分開(kāi)來(lái)。今天，計(jì)算機(jī)觸覺(jué)被定義為渲染虛擬對(duì)象的觸感和感覺(jué)所需的系統(tǒng)——包括硬件和軟件。這是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，正在產(chǎn)生許多有前途的觸覺(jué)技術(shù)。

　　在我們更詳細(xì)地研究其中一些技術(shù)之前，讓我們看看觸覺(jué)系統(tǒng)必須提供哪些類(lèi)型的觸摸感覺(jué)才能成功。

　　觸覺(jué)反饋的類(lèi)型

　　雖然許多視頻游戲玩家可能不知道觸覺(jué)技術(shù)的名字，但他們可能知道什么是力反饋 - 它已經(jīng)在游戲控制器上按名稱(chēng)銷(xiāo)售多年。

　　?2008 HOWSTUFFWORKS當(dāng)我們用雙手探索周?chē)氖澜鐣r(shí)，我們會(huì)收到兩種類(lèi)型的反饋—— 動(dòng)覺(jué) 和 觸覺(jué)的.要理解兩者之間的區(qū)別，請(qǐng)考慮伸手，撿起并探索棒球的手。當(dāng)手伸向球并調(diào)整其形狀以抓握時(shí)，會(huì)生成一組描述關(guān)節(jié)角度、肌肉長(zhǎng)度和張力的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)。這些信息由嵌入肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)的一組專(zhuān)門(mén)的受體收集。

　　被稱(chēng)為 本體感受器，這些受體將信號(hào)傳遞到大腦，在那里它們被大腦皮層的軀體感覺(jué)區(qū)域處理。這 肌肉紡錘體 是一種類(lèi)型的本體感受器，提供有關(guān)肌肉長(zhǎng)度變化的信息。這 高爾基體肌腱器官 是另一種類(lèi)型的本體感受器，提供有關(guān)肌肉張力變化的信息。大腦處理這些動(dòng)覺(jué)信息，以提供棒球的總大小和形狀，以及它相對(duì)于手、手臂和身體的位置。

　　當(dāng)手指接觸球時(shí)，指墊和球表面之間發(fā)生接觸。每個(gè)指墊都是一個(gè)復(fù)雜的感覺(jué)結(jié)構(gòu)，在皮膚和底層組織中都包含受體。這些受體有許多類(lèi)型，每種類(lèi)型的刺激都有一個(gè)：輕觸，重觸，壓力，振動(dòng)和疼痛。來(lái)自這些受體的集體數(shù)據(jù)有助于大腦理解球的微妙觸覺(jué)細(xì)節(jié)。當(dāng)手指探索時(shí)，他們會(huì)感覺(jué)到皮革的光滑質(zhì)地，鞋帶的凸起粗糙度以及球的硬度。甚至球的熱特性也是通過(guò)觸覺(jué)感受器感知的。

　　力反饋 是一個(gè)通常用于描述觸覺(jué)和/或動(dòng)覺(jué)反饋的術(shù)語(yǔ)。正如我們的棒球示例所示，力反饋非常復(fù)雜。然而，如果一個(gè)人要以任何保真度感受虛擬物體，力反饋正是這個(gè)人必須接收的信息。計(jì)算機(jī)科學(xué)家開(kāi)始研究觸覺(jué)界面設(shè)備，這些設(shè)備允許用戶通過(guò)力反饋來(lái)感受虛擬物體。早期的嘗試沒(méi)有成功。但正如我們將在下一節(jié)中看到的那樣，新一代觸覺(jué)接口設(shè)備正在提供無(wú)與倫比的性能、保真度和易用性。

　　觸覺(jué)系統(tǒng)

　　Omni，Sensable? Technologies的PHANTOM系列中的入門(mén)級(jí)設(shè)備

　　禮貌 明智的技術(shù)有幾種方法可以創(chuàng)建觸覺(jué)系統(tǒng)。盡管它們看起來(lái)可能大不相同，但它們都有兩個(gè)重要的共同點(diǎn) - 用于確定用戶虛擬身份與對(duì)象交互時(shí)產(chǎn)生的力的軟件，以及可以通過(guò)這些力應(yīng)用于用戶的設(shè)備。軟件用于執(zhí)行其計(jì)算的實(shí)際過(guò)程稱(chēng)為 觸覺(jué)渲染.一種常見(jiàn)的渲染方法使用多面體模型來(lái)表示虛擬世界中的對(duì)象。這些 3D 模型可以準(zhǔn)確地描繪各種形狀，并可以通過(guò)評(píng)估力線如何與物體的各個(gè)面相互作用來(lái)計(jì)算觸摸數(shù)據(jù)。這種3D物體可以感覺(jué)堅(jiān)固，并且可以具有表面紋理。

　　向用戶傳達(dá)觸覺(jué)圖像的工作落在接口設(shè)備上。在許多方面，接口設(shè)備類(lèi)似于鼠標(biāo)，不同之處在于鼠標(biāo)是無(wú)法向用戶傳達(dá)任何合成觸覺(jué)數(shù)據(jù)的被動(dòng)設(shè)備。讓我們看一些特定的觸覺(jué)系統(tǒng)，以了解這些設(shè)備的工作原理。

　　Sensable Technologies的PHANTOM?接口是首批商業(yè)化銷(xiāo)售的觸覺(jué)系統(tǒng)之一。它的成功在于它的簡(jiǎn)單性。這種觸覺(jué)設(shè)備不是試圖顯示來(lái)自許多不同點(diǎn)的信息，而是模擬單個(gè)接觸點(diǎn)的觸摸。它通過(guò)連接到燈狀臂的手寫(xiě)筆來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。三個(gè)小型電機(jī)通過(guò)對(duì)測(cè)針施加壓力向用戶提供力反饋。因此，用戶可以感受到虛擬氣球的彈性或磚墻的堅(jiān)固性。他或她還可以感覺(jué)到質(zhì)地、溫度和重量。 手寫(xiě)筆可以定制，使其幾乎與任何對(duì)象非常相似。例如，它可以安裝注射器附件，以模擬注射時(shí)刺穿皮膚和肌肉的感覺(jué)。

　　CyberGrasp系統(tǒng)是Immersion Corporation的另一個(gè)商用觸覺(jué)界面，采用了不同的方法。該設(shè)備像 外骨骼 并為每個(gè)手指添加電阻力反饋。五個(gè)致動(dòng)器產(chǎn)生力，這些力沿著連接指尖和外骨骼的肌腱傳遞。使用CyberGrasp系統(tǒng)，用戶能夠感受到僅存在于計(jì)算機(jī)生成的世界中的虛擬對(duì)象的大小和形狀。為了確保用戶的手指不會(huì)穿透或壓碎虛擬的固體物體，可以單獨(dú)編程執(zhí)行器以匹配物體的物理特性。

　　卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員正在試驗(yàn)一種不依賴(lài)于致動(dòng)連桿或電纜設(shè)備的觸覺(jué)界面。相反，他們的界面使用強(qiáng)大的電磁鐵來(lái)懸浮一個(gè)看起來(lái)有點(diǎn)像操縱桿的手柄。用戶操作懸浮工具手柄以與計(jì)算環(huán)境進(jìn)行交互。當(dāng)她移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)手柄時(shí)，她可以感受到模擬物體的運(yùn)動(dòng)、形狀、阻力和表面紋理。這是基于懸浮的技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)：它減少了摩擦和其他干擾，因此用戶可以減少分心并保持沉浸在虛擬環(huán)境中。它還允許在六個(gè)自由度下進(jìn)行受限運(yùn)動(dòng)(與入門(mén)級(jí)Phantom接口相比，它只允許三個(gè)活動(dòng)自由度)。 磁懸浮觸覺(jué)接口的一個(gè)缺點(diǎn)是它的占地面積。需要整個(gè)機(jī)柜來(lái)容納磁懸浮裝置， 電源、放大器和控制處理器。用戶手柄從嵌入機(jī)柜頂部的碗中伸出。

　　可以想象，像我們?cè)谶@里描述的系統(tǒng)可能非常昂貴。這意味著該技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于某些行業(yè)和專(zhuān)業(yè)類(lèi)型的培訓(xùn)。在下一頁(yè)，我們將探討觸覺(jué)技術(shù)的一些應(yīng)用。

　　觸覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用

　　想出應(yīng)用觸覺(jué)的方法并不難。視頻游戲制造商一直是被動(dòng)觸覺(jué)的早期采用者，它利用振動(dòng)操縱桿、控制器和方向盤(pán)來(lái)加強(qiáng)屏幕上的活動(dòng)。但未來(lái)的視頻游戲?qū)⑹雇婕夷軌蚋惺芎筒倏v虛擬固體、液體、工具和化身。Novint Falcon觸覺(jué)控制器已經(jīng)將這一承諾變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。3-D 力反饋控制器可讓您分辨手槍報(bào)告和霰彈槍爆炸之間的區(qū)別，或者在拉回箭頭時(shí)感受長(zhǎng)弓弦的阻力。

　　圖形用戶界面，如定義Windows和Mac操作環(huán)境的用戶界面，也將從觸覺(jué)交互中受益匪淺。想象一下，當(dāng)您按下按鈕時(shí)，能夠感覺(jué)到圖形按鈕并接收力反饋。一些觸摸屏制造商已經(jīng)在嘗試這項(xiàng)技術(shù)。諾基亞手機(jī)設(shè)計(jì)師已經(jīng)完善了觸覺(jué)觸摸屏，使屏幕上的按鈕表現(xiàn)得好像它們是真正的按鈕一樣。當(dāng)用戶按下按鈕時(shí)，他或她會(huì)感覺(jué)到移入和移出。他還聽(tīng)到了咔噠聲。諾基亞工程師通過(guò)在屏幕下方放置兩個(gè)小型壓電傳感器墊并設(shè)計(jì)屏幕來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，使其在按下時(shí)可以稍微移動(dòng)。所有內(nèi)容 - 運(yùn)動(dòng)和聲音 - 都完美同步，以模擬真實(shí)的按鈕操作。

　　盡管有幾家公司正在加入Novint和諾基亞的行列，推動(dòng)將觸覺(jué)界面納入主流產(chǎn)品，但成本仍然是一個(gè)障礙。最先進(jìn)的觸摸技術(shù)存在于工業(yè)、軍事和醫(yī)療應(yīng)用中。觸覺(jué)訓(xùn)練正變得越來(lái)越普遍。例如，醫(yī)學(xué)生現(xiàn)在可以在計(jì)算機(jī)上完善精細(xì)的手術(shù)技術(shù)，感受在吻合中縫合血管或?qū)⑷舛緱U菌毒素注射到虛擬面部的肌肉組織中的感覺(jué)。飛機(jī)機(jī)械師可以使用復(fù)雜的零件和服務(wù)程序，觸摸他們?cè)? 電腦屏幕.士兵可以通過(guò)多種方式為戰(zhàn)斗做準(zhǔn)備，從學(xué)習(xí)如何拆除炸彈到在虛擬戰(zhàn)斗場(chǎng)景中操作直升機(jī)、坦克或戰(zhàn)斗機(jī)。

　　觸覺(jué)技術(shù)也廣泛用于遠(yuǎn)程操作或遠(yuǎn)程機(jī)器人。在遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)中，人類(lèi)操作員控制距離一定距離的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。一些遙控機(jī)器人僅限于非常簡(jiǎn)單的任務(wù)，例如瞄準(zhǔn) 照相機(jī) 并發(fā)回視覺(jué)圖像。在一種稱(chēng)為遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的更復(fù)雜的遠(yuǎn)程操作形式中，人類(lèi)操作員有一種位于機(jī)器人環(huán)境中的感覺(jué)。觸覺(jué)現(xiàn)在可以在網(wǎng)真模型中除了音頻和視覺(jué)提示之外，還包括觸摸提示。不久之后，天文學(xué)家和行星科學(xué)家就會(huì)通過(guò)先進(jìn)的觸覺(jué)遙控機(jī)器人(一種火星探測(cè)漫游車(chē)的高觸覺(jué)版本)真正握住和操縱火星巖石。

　　在下一頁(yè)中，我們將看看觸覺(jué)技術(shù)的重要性如何增加，并在某些應(yīng)用中變得必不可少。

　　幫助盲人感受城市

　　希臘的計(jì)算機(jī)科學(xué)家正在將觸覺(jué)技術(shù)整合到盲人的可觸摸地圖中。為了創(chuàng)建地圖，研究人員拍攝真實(shí)世界位置的視頻，可以是建筑物的建筑模型，也可以是城市街區(qū)。軟件逐幀評(píng)估視頻，以確定每個(gè)物體的形狀和位置。數(shù)據(jù)生成每個(gè)結(jié)構(gòu)的力場(chǎng)三維網(wǎng)格。使用觸覺(jué)界面設(shè)備，盲人可以感受到這些力量，并結(jié)合音頻提示，更好地感受城市或建筑物的布局。

　　觸覺(jué)技術(shù)的重要性

　　在 電子游戲，添加觸覺(jué)功能很好。它增加了游戲的真實(shí)性，從而提高了用戶的滿意度。但在訓(xùn)練和其他應(yīng)用中，觸覺(jué)界面至關(guān)重要。這是因?yàn)橛|覺(jué)傳達(dá)了有關(guān)物體的豐富而詳細(xì)的信息。當(dāng)它與其他感官，尤其是視覺(jué)相結(jié)合時(shí)，觸覺(jué)會(huì)大大增加發(fā)送到大腦進(jìn)行處理的信息量。信息的增加減少了用戶錯(cuò)誤以及完成任務(wù)所需的時(shí)間。它還降低了遠(yuǎn)程操作情況下使用的能耗和接觸力的大小。

　　顯然，三星希望通過(guò)推出Anycall Haptic手機(jī)來(lái)利用其中的一些好處。諾基亞在推出具有觸覺(jué)觸摸屏的手機(jī)時(shí)將進(jìn)一步推動(dòng)信封。是的，這樣的手機(jī)看起來(lái)很酷。而且，是的，觸摸起來(lái)會(huì)很酷。但它們也將更易于使用，基于觸摸的功能可以減少輸入錯(cuò)誤，并提供更令人滿意的整體體驗(yàn)。

　　如果您想了解有關(guān)觸覺(jué)和相關(guān)技術(shù)的更多信息，請(qǐng)查看下一頁(yè)上的鏈接。

　　觸覺(jué)學(xué)習(xí)：下一代動(dòng)手實(shí)踐

　　如今，教師經(jīng)常被要求評(píng)估學(xué)生的 學(xué)習(xí)風(fēng)格 因此，他們可以相應(yīng)地調(diào)整教學(xué)方法。學(xué)習(xí)風(fēng)格是一個(gè)人學(xué)習(xí)最好的方式。雖然有很多學(xué)習(xí)風(fēng)格模型，但流行的模型是基于感官輸入的。在此模型中，有三種基本的學(xué)習(xí)方式： 聽(tīng)覺(jué)的, 視覺(jué) 和 動(dòng)覺(jué).大多數(shù)學(xué)生通過(guò)這三種模式中的一種學(xué)習(xí)效果最好，盡管有些是多模式的，這意味著他們有不止一種強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)偏好。

　　研究表明，即使是聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)學(xué)習(xí)者也能從涉及觸覺(jué)的活動(dòng)中受益匪淺。在一項(xiàng)研究中，初中和高中學(xué)生在使用觸覺(jué)學(xué)習(xí)技術(shù)時(shí)對(duì)科學(xué)產(chǎn)生了更積極的態(tài)度，并對(duì)關(guān)鍵概念有了更深入的理解?；谶@項(xiàng)研究和類(lèi)似的研究，科學(xué)教師尤其被觸覺(jué)所吸引。許多人正在使用該技術(shù)來(lái)幫助學(xué)生與物體互動(dòng)，例如病毒或納米顆粒，否則這些物體太小而無(wú)法觸摸或看到。其他人則使他們的學(xué)生能夠探測(cè)細(xì)胞的3D渲染。還有一些人正在使用觸覺(jué)反饋設(shè)備來(lái)更全面地教學(xué)生關(guān)于重力和摩擦等無(wú)形力的知識(shí)。