這就是“觸覺”技術(shù)未來的樣子

在斯皮爾伯格于2018年上映的電影《頭號(hào)玩家》當(dāng)中，人們能夠進(jìn)入一個(gè)名為“綠洲”的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)世界。這部科幻電影中最令人矚目的未來科技，并不是VR眼鏡——因?yàn)槠渑c目前Oculus、HTC以及其它公司所銷售的相關(guān)頭戴設(shè)備可謂相差無幾。相反，其核心在于提供一種超越視覺與聽覺的新感受：觸覺。

▲?電影《頭號(hào)玩家》中角色佩戴的VR眼鏡與反饋手套

其中的角色佩戴帶有反饋機(jī)制的手套，使得他們能夠感受到手中握持物體的觸感。他們甚至可以升級(jí)為全身套裝，從而再現(xiàn)從沖擊到輕撫的一切外力作用。最重要的是，這一切距離全面實(shí)現(xiàn)，也許并不像我們想象中那么遙遠(yuǎn)。

我們一直都在依賴觸摸——或者說“觸覺”——信息與這個(gè)世界互動(dòng)，整個(gè)過程甚至以一種無意識(shí)的方式進(jìn)行。我們的皮膚、關(guān)節(jié)、肌肉以及器官中的神經(jīng)會(huì)時(shí)刻提醒我們?nèi)绾瓮ㄟ^身體進(jìn)行定位，我們握住的是怎樣的東西，當(dāng)前的天氣如何，以及親朋好友之間在擁抱時(shí)表達(dá)出的感情。在世界各地，工程師們正在努力為視頻游戲等創(chuàng)造逼真的觸覺體驗(yàn)。而通過在人機(jī)交互當(dāng)中引入觸覺，我們也有望進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)器人控制、身體復(fù)健、教育、導(dǎo)航、通信甚至是在線購(gòu)物的體驗(yàn)水平。

南加州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Heather Culbertson表示：“過去，觸覺技術(shù)一直專注于通過手機(jī)震動(dòng)、手柄震動(dòng)或者其它設(shè)備中的震動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)淺層次的人機(jī)交互。但現(xiàn)在，大家開始轉(zhuǎn)向開發(fā)感覺上更為自然的解決方案，包括要求其更好地模擬天然材料且自然順暢的反饋體驗(yàn)?！?/p>

未來不僅一片光明，而且質(zhì)感細(xì)膩。

觸覺設(shè)備可以分為三種主要類別：可抓握型、可穿戴型以及可觸摸型。在抓握型設(shè)計(jì)方面，大家可以將其理解為類似于操縱桿的形式。其中一大明確應(yīng)用在于機(jī)器人操作，操作人員可以借此感受到機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中承受著怎樣的阻力。

以手術(shù)機(jī)器人為例，醫(yī)生可以身處遠(yuǎn)程位置對(duì)其進(jìn)行操作，亦可借此使用小巧的工具或在極小的空間內(nèi)完成動(dòng)作。已經(jīng)有大量研究表明，在控制這些機(jī)器人時(shí)添加觸覺反饋機(jī)制，能夠顯著提高準(zhǔn)確性并減少組織損傷與手術(shù)時(shí)間。此外，觸覺反饋機(jī)制的引入還使得醫(yī)生能夠直接通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)患者進(jìn)行模擬手術(shù)訓(xùn)練，且在過程中獲得與實(shí)際切割以及縫合相匹配的感覺。Culbertson的一名學(xué)生目前正在開發(fā)牙科模擬器，以便牙科學(xué)生對(duì)虛擬環(huán)境下的牙齒進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)。

此外，通過觸覺反饋理解操作中機(jī)器人所處的環(huán)境，也將有助于拆解炸彈或者從倒塌的建筑物中營(yíng)救受影響人員，甚至在不適合太空街的場(chǎng)景下進(jìn)行衛(wèi)星修理。事實(shí)上，迪士尼公司正在研究觸覺式遠(yuǎn)程呈現(xiàn)機(jī)器人，旨在實(shí)現(xiàn)更安全的人機(jī)交互體驗(yàn)。他們開發(fā)出一套具有氣動(dòng)管的系統(tǒng)，能夠?qū)⑷诵螜C(jī)器人的機(jī)械臂與人類可以握持的一組映射臂對(duì)接起來。這意味著操作人員能夠操縱映射臂下達(dá)指令，而實(shí)際機(jī)器人端則可借此實(shí)現(xiàn)拿起氣球、拾起雞蛋或者輕撫小朋友的面頰等動(dòng)作。

在較小的規(guī)模之下，位于洛桑的瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（簡(jiǎn)稱EPFL）的機(jī)器人專家Jamie Paik在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中開發(fā)出一種名為Foldaway的便攜式觸覺平臺(tái)。其尺寸類似于一個(gè)方形的飲料托盤，設(shè)備中央帶有三個(gè)能夠彈出的鉸接臂，并在中心位置彼此嚙合。（實(shí)驗(yàn)室中的博士后Stefano Mintchev將其稱為「小型折疊機(jī)器人」）。各手臂嚙合部位設(shè)置有一個(gè)小小的塑料插槽，從而共同構(gòu)成一個(gè)三維動(dòng)作操縱桿——各手臂負(fù)責(zé)提供助力，使得用戶感覺到就像在推動(dòng)真實(shí)對(duì)象一樣。在演示當(dāng)中，團(tuán)隊(duì)利用該設(shè)備控制空中無人機(jī)，掠奪虛擬物體并感受虛擬環(huán)境下的人體解剖結(jié)構(gòu)。

▲這種可供抓握的觸覺設(shè)備被稱為Foldaway。展開時(shí)其大小類似于一個(gè)飲料托盤，因此非常便于攜帶。用戶可以將操縱桿旋轉(zhuǎn)在三條鉸接臂相交的位置，并經(jīng)由其提供的阻力獲得操縱物體的感覺。

但抓握式設(shè)計(jì)明顯存在著某些無法克服的觸覺還原能力挑戰(zhàn)——舉例來說，在抓取及舉起較輕的數(shù)字物體時(shí)，設(shè)備該如何提供重量感？通過研究神經(jīng)科學(xué)，工程師們?cè)O(shè)法找到了更多解決方法。Culbertson及其同事為重力問題開發(fā)出一款名為Brabity的裝置。這實(shí)際是一只能夠通過抓取與擠壓方式拾取虛擬物體的鉗子。只需要通過某種方式進(jìn)行振動(dòng)反饋，其就能夠?yàn)橛脩魩碇亓颗c慣性的錯(cuò)覺。

但西北大學(xué)機(jī)械工程師Ed Colgate認(rèn)為，“愚弄大腦的作法也只能達(dá)到這樣的程度了。”這位專門研究觸覺問題的工程師表示，關(guān)于觸覺的幻覺極易被打破；因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看，工程師們必須盡可能忠實(shí)地重建現(xiàn)實(shí)世界中的物理現(xiàn)象，包括重量以及其它反饋——“這是一個(gè)非常困難的問題。”

抓握型裝置通常利用的是所謂動(dòng)覺感受：不僅影響到我們的皮膚，同時(shí)也作用于我們的肌肉、肌腱以及關(guān)節(jié)，經(jīng)由神經(jīng)介導(dǎo)提供運(yùn)動(dòng)、位置與發(fā)力的感覺。另一方面，可穿戴式設(shè)備則通常依賴于皮膚神經(jīng)介導(dǎo)，從而提供與壓力、摩擦或溫度相關(guān)的觸覺信息。

當(dāng)在手指上佩戴各種實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，用戶即可在虛擬現(xiàn)實(shí)中觸摸物體，并以不同的力度按壓指墊。然而，近來出現(xiàn)的很多設(shè)備開始不再以指墊方式提供相同的反饋類型。具體來講，其采用的是類似于佩戴戒指的方式配備具有伸縮驅(qū)動(dòng)能力的馬達(dá)。如此一來，手指即可自由與現(xiàn)實(shí)世界中的物體繼續(xù)交互，但同時(shí)亦能夠感知到各類“虛擬”物體——這種能力無論是對(duì)游戲還是其它嚴(yán)肅應(yīng)用而言，都是一項(xiàng)重要的實(shí)用性功能。

在測(cè)試當(dāng)中，人們可以握住一截真正的粉筆并感受壓力，因?yàn)樗麄兡軌驊{借著觸覺反饋結(jié)合真實(shí)的粉筆在虛擬黑板上“寫字”。換言之，他們既能夠感受到粉筆在指尖的觸感，又能夠感受到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下帶來的板書書寫反饋，這一切都與實(shí)際書寫別無二致。

更常見的是，可穿戴觸覺設(shè)備通過震動(dòng)傳遞信息。例如，Culbertson的實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)一種腕帶，能夠通過在用戶需要轉(zhuǎn)向的方向上震動(dòng)來引導(dǎo)佩戴者。由斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家David Eagleman創(chuàng)立的NeoSensory公司正在開發(fā)一種帶有32部震動(dòng)馬達(dá)的背心，這款背心的原型在HBO的科幻劇集《西部世界》中已經(jīng)得到展示，其能夠幫助角色識(shí)別出敵人接近的方向。

該背心的首個(gè)實(shí)際應(yīng)用，在于將聲音轉(zhuǎn)化為觸覺，從而使得聽力損失嚴(yán)重或者完全失聰?shù)娜藗兡軌蚋p松地理解口語。Eagleman還致力于將視覺世界中的各類元素轉(zhuǎn)化為盲人能夠感知到的震動(dòng)。其它研究方向則涉及更為抽象的信息，例如市場(chǎng)與環(huán)境數(shù)據(jù)——相較于在空間網(wǎng)絡(luò)中指示事物，復(fù)雜的震動(dòng)模式甚至可用于表達(dá)十幾只股票的實(shí)時(shí)價(jià)格變動(dòng)。

▲上圖所示為一種柔軟且堅(jiān)韌的皮膚狀材料設(shè)計(jì)方案，其能夠貼合身體并適用于可穿戴式觸覺設(shè)備。傳感器與致動(dòng)器層由硅樹脂層分隔。在傳感器層中，鋯鈦酸鉛（PZT）能夠?qū)⒘D(zhuǎn)換為電荷以反饋給計(jì)算機(jī)。致動(dòng)器層中包含有多個(gè)微小的“口袋”或者說氣囊，每秒可以多次補(bǔ)充空氣，以便向佩戴者提供震動(dòng)反饋。（由H.A. Sonar等人發(fā)明，發(fā)布于Frontiers in Robotics and AI 2016之上）

由于震動(dòng)電機(jī)往往比較笨重，因此也有一些實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)更舒適的解決方案。Paik在EPFL實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中就在開發(fā)一種柔性氣動(dòng)執(zhí)行器（簡(jiǎn)稱SPA）表皮——這是一片厚度低于2毫米的柔軟硅膠，其中包含一些微小的氣囊。各個(gè)氣囊每秒可以獨(dú)立充氣與放氣幾十次，從而充當(dāng)觸覺元素的基本像素，最終建立起一套感知網(wǎng)格。這種材料有可能被引入類似于《頭號(hào)玩家》中的玩家套裝當(dāng)中，或者用于反饋機(jī)器人或者假肢的定位功能。SPA皮膚還嵌入了由新型耐腐蝕合金制成的傳感器，用戶對(duì)其進(jìn)行擠壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)即可作為計(jì)算機(jī)輸入進(jìn)行傳遞。

另有一種更薄的觸覺薄膜——其厚度甚至不到半毫米，同樣由Novasentis構(gòu)建而成，采用新型聚偏二氟乙烯塑料制成，能夠在強(qiáng)度、柔韌性與電氣響應(yīng)能力之間取得完美平衡。當(dāng)在柔性材料薄膜的一側(cè)上層疊加并施加電荷時(shí)，薄膜即會(huì)收縮并彎曲，使得皮膚感受到相應(yīng)壓力。Novasentis現(xiàn)在已經(jīng)開始為設(shè)備制造商提供材料，這些設(shè)備制造商可以利用其構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備以及游戲操縱手套。

該公司市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Sri Peruvemba表示，“大家可以借此區(qū)分水、沙子以及巖石等虛擬對(duì)象。”此外，VR設(shè)計(jì)師還能夠創(chuàng)造出更為抽象的表示效果，例如關(guān)于游戲狀態(tài)的感官傳遞消息。Peruvemba指出，“我們甚至可以利用這種技術(shù)創(chuàng)建出一種完整的觸覺語言?！?/p>

震動(dòng)還能夠產(chǎn)生另外一種觸覺感受，即拉扯感。如果某一平等于皮膚表面且來回震動(dòng)的設(shè)備能夠在某一方向上快速移動(dòng)，而后慢慢由另一方向往回移動(dòng)，且每秒進(jìn)行多次，即可感受到其似乎是在前一個(gè)方向之上產(chǎn)生拉扯感。

雖然大多數(shù)可穿戴設(shè)備主要采用觸感設(shè)計(jì)，但也有一些可以利用肌肉關(guān)節(jié)肌腱等部分輸入動(dòng)覺感受。工程師們開發(fā)出機(jī)器人外骨骼，這是一種包含傳感器與馬達(dá)，并綁定在使用者身上的“腳手架”，能夠幫助癱瘓的人們重新行走、為士兵提供超強(qiáng)的力量，同時(shí)也允許我們遠(yuǎn)距離控制機(jī)器人。EPFL的一座實(shí)驗(yàn)室即開發(fā)出FlyJacket，我們可以佩戴上操控手臂，兩條手臂通過活塞在腰部位置連接。雖然看起來跟飛行沒啥關(guān)系，但其確實(shí)允許使用者通過移動(dòng)自己的手臂并扭動(dòng)軀干來控制空中無人機(jī)的飛行。當(dāng)無人機(jī)感受到陣風(fēng)時(shí)，用戶也能夠獲得同樣的感受。

最后一類設(shè)備則屬于可觸摸界面，例如智能手機(jī)屏幕，這意味著我們點(diǎn)擊應(yīng)用程序功能圖標(biāo)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)碰撞感。Culbertson的工作成果絕不限于簡(jiǎn)單的震動(dòng)與嗡嗡作響。她使用的是所謂“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型觸覺”模擬物體表面上的紋理。相較于編寫復(fù)雜的算法或者物理模型來生成模擬真實(shí)模型的震動(dòng)，她更希望記錄哪某些東西以不同的速度在不同的織物或其它材料之上拖動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生怎樣的現(xiàn)象。通過這種方式，她嘗試用筆在平面之上拖動(dòng)，并對(duì)平面上的震動(dòng)進(jìn)行回放。如此一來，應(yīng)用程序即可很好地還原這種效應(yīng)，從而支撐起良好的在線購(gòu)物乃至虛擬博物館展示體驗(yàn)。

▲可觸摸型觸覺設(shè)備使得用戶能夠“感受”到不同的紋理，而具體效果取決于通過筆端傳遞的震動(dòng)模式。震動(dòng)的變化取決于筆的移動(dòng)速度，以及用戶施加的壓力大小。其目標(biāo)在于逼真地模擬表面的粗糙度、硬度與光滑度。

這種可觸摸的表面也能夠帶來其它一些感受反饋。舉例來說，Culbertson指出在按下圖像中播放按鈕時(shí)所發(fā)出的點(diǎn)擊聲音，會(huì)使得人們感到自己真的按動(dòng)了物理按鈕。或者，也可以讓屏幕在手指點(diǎn)擊時(shí)顯示變形效果，從而體現(xiàn)出類似于柔性特征的表現(xiàn)。通過將視覺、聽覺、觸覺、味覺以及嗅覺加以結(jié)合，人們共同建立起整體感知系統(tǒng)——正如Culbertson所言，“只要實(shí)現(xiàn)感官層面的不匹配，我們就能很容易欺騙人類的大腦?！?/p>

VR的觸覺實(shí)現(xiàn)可能永遠(yuǎn)停留在笨重加昂貴的階段，但我們拿出的最終技術(shù)也絕對(duì)有可能使得《頭號(hào)玩家》中的設(shè)備顯得古怪而落后。無論如何，我們目前正走在這條值得探索的道路之上。從早已普及震動(dòng)功能的視頻游戲控制器，到智能手機(jī)與手表，觸覺設(shè)備將持續(xù)存在，并不斷為我們的數(shù)字生活帶來新的驚喜。