欧洲触觉会议：立体触感技术打造扩增实境体验
发布时间：2014-8-4 14:42
发布者：老电工
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作者: Julien Happich 上网日期: 2014年08月04日 如果大家都熟悉大多数手机的基本静音模式——触觉的原始形式(试着在你的衣服口袋中感受手机的振动)，可别忽略了显示器端也有更多值得期待的触觉新功能。 从实验室到新创公司，一场为屏幕上所显示的任何对象添加实体触感与纹理结构的竞赛即将展开。从带有‘按压’感觉的简易键盘到3D形状与结构的复杂渲染，无论是具有实体存在或看似平坦的表面，都是这一新兴应用的范围。 在日前于法国凡尔赛举行的欧洲触觉会议(EuroHaptics 2014)，包括各种与人类触觉感知有关的实验研究成果、有形的触觉接口、动力反馈编码机制以及一系列创新的致动器与触觉装置展示，成为与会者热切讨论的话题。 在任何感测信息得以有效地善加利用触觉接口以前，应该先明白人类如何感知触觉，以及我们对世界的看法和经验如何影响个人区分功能与物体的能力。根据许多基础研究的深入探讨可知，仅具有单一触控功能的触觉装置存在某些限制，而结合触控、视觉与声音的多功能触觉装置，则提供了更好的感知想象。这就如同我们大多数人自然体验现实世界对象的方式一样，具有多感知的接口能够提供更好的想象，以及让用户更易于操纵虚拟对象。 几家研究机构介绍了开发机械式可重配置触觉接口的计划，这些接口都带有能够突出于屏幕表面的活塞和致动器(Actuator)。因为这些设计建置的体积通常都比较大，而且不透明，因而无法整合于智能手机和平板中，但研究人员们认为它可作为增强型桌面键盘。 日本庆应大学的研究人员设计出一款MEMS触感显示器，可用来产生虚拟的表面结构。这种小型化的原型产品在一个存在0.48mm直径小孔的钛面板下方布置着大位移的MEMS致动器。 每个大位移MEMS内有一个压电致动器，透过填充着无法压缩聚合物流体的腔体推动塑料活塞上下移动，当活塞向上运动时推动可变形的乳胶薄膜产生突起触感。 
图1：日本庆应大学设计的触感显示器。 在致动时，液压放大机制挤压流体，使得小型乳胶薄膜能够透过面板的小孔向上突起。为了能以手指触觉神经末梢有效进行辨识区别，触点之间间隔约几毫米，突起运动频率为几赫兹时可突出100μm，当频率高达200Hz时突出就只有几μm了。 透过控制位移、振动频率和致动器驱动图案，研究人员阐述了各种不同的触摸感觉，可仿真多种表面结构，如木头、聚氨酯泡沫和砂纸等。 美国密歇根大学(University of Michigan)的研究人员详细介绍一种触觉显示器原型。这种显示器利用气体力学驱动一个7×8数组、直径为1.2mm、间距为2.5mm的插栓，可为视觉受损的用户提供具有清晰方向感的触觉编码信息(例如盲人用的点字和触感图形)。 你可以说它是触感显示器的“蒸汽庞克”，其中的受压空气透过小型管路流动时将可滑行的插栓向上顶起(垂直行程为0.75mm)。在向上顶起时，插栓将推动很薄的弹性薄膜，使其突出于面板外。这种系统的刷新率相当低，还不到2Hz，因此非常适合盲人点字阅读应用，但无法仿真纹理结构和‘点击’感。 
图2：为盲人阅读而设计的气体致动器。 在法国原子能署(CEA)的感知与环境接口实验室，研究人员采用另类活塞设计，开发出一种有趣的突起触感显示器。 在一篇与汽车制造商雷诺公司(Renault)的研究工程师共同撰写的“用于车载触觉互动的另类触感显示器”论文中，CEA LIST实验室介绍一种采用32个电磁致动器(各个线圈都有铁/铝复合磁芯)数组建置的触感显示器，在这种显示器上方覆盖着一个电容器式触控可变形层，以实现手指位置检测。 
图3：CEA LIST实验室的触感显示器 植入弹性硅胶支撑的薄铜线矩阵形成了可变形的触控屏幕，触点突出表面的距离可达1.9mm，而两级锁定机制使其具有双稳态性能，从而大幅地降低功耗。在当前的建置中，整合进汽车中控台的设备据称可实现2Hz的刷新率。 当合理的变形幅度约为0.25mm时，在设备上一个约1.25N的施力就可以提供足够的触觉反馈，从而为用户带来一个‘点击的感觉’。研究人员希望重新设计系统，使其具有更高的致动器密度，整合289个间距约3mm的触点，最终实现无触点感的表面形状。 Tactus Technology公司在SID 2012上展示的Tactile Layer液晶屏幕面板虽然稍有不同，但也被认为是一种突起的屏幕。它利用一层透明的微流体将充满液体的泵推升出普通的触控液晶屏幕，好像从屏幕上长出键盘一样，形成用户可以看见和感觉到的动态实体按键。 由于刷新率大约为1Hz，因此这种接口很明显是瞄准屏幕键盘而设计。根据Tactus Technology公司宣称，该公司可在液晶萤面板上开发出几乎任何类型的按键配置或布局(在制造过程中设定)。该公司正寻找平板或智能手机合作伙伴，期望共同在产品中整合新的泵推升式键盘。 
图4：Tactus公司的Tactile Layer面板表面突出QWERTY按键 然而，对于有些人来说，改变平坦的屏幕表面还不够。东京大学的研究人员于是开发出一种能够改变真实世界纹理结构的方法，例如把像纸般的触感变成金属质感，或把原木质感变成纸般的触感。研究人员们利用28kHz换能器耦合至可改变结构的对象上，通过控制输入信号的振幅，研究人员们就能根据挤压效应确定手指相对于材料表面的悬浮高度。 
图5：改变对象的实际结构反映原型感知变化 为了接近实际对象，研究人员采用高分辨率的真实世界纹理结构(以3轴加速度计采集)来取代合成数据。研究人员认为不同的材料结构可被映像至现有的制造原型，在产品精炼过程中反映出CAD的变化。藉由以投射影像追踪手指位置显示表面的不同纹理结构，研究人员们还能模拟并增补相同表面的不同结构。在第一次预处理步骤，研究人员减少对象的原始实际结构。而第二步骤目的是在适当频率时施加超音波振动，重新写入纹理结构。 |
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