這就是“觸覺”技術未來的樣子

在斯皮爾伯格于2018年上映的電影《頭號玩家》當中，人們能夠進入一個名為“綠洲”的沉浸式虛擬現實世界。這部科幻電影中最令人矚目的未來科技，并不是VR眼鏡——因為其與目前Oculus、HTC以及其它公司所銷售的相關頭戴設備可謂相差無幾。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。他們甚至可以升級為全身套裝，從而再現從沖擊到輕撫的一切外力作用。最重要的是，這一切距離全面實現，也許并不像我們想象中那么遙遠。

我們一直都在依賴觸摸——或者說“觸覺”——信息與這個世界互動，整個過程甚至以一種無意識的方式進行。我們的皮膚、關節(jié)、肌肉以及器官中的神經會時刻提醒我們如何通過身體進行定位，我們握住的是怎樣的東西，當前的天氣如何，以及親朋好友之間在擁抱時表達出的感情。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。而通過在人機交互當中引入觸覺，我們也有望進一步增強機器人控制、身體復健、教育、導航、通信甚至是在線購物的體驗水平。

南加州大學計算機科學家Heather Culbertson表示：“過去，觸覺技術一直專注于通過手機震動、手柄震動或者其它設備中的震動元件實現淺層次的人機交互。但現在，大家開始轉向開發(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?！?/p>

未來不僅一片光明，而且質感細膩。

觸覺設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。在抓握型設計方面，大家可以將其理解為類似于操縱桿的形式。其中一大明確應用在于機器人操作，操作人員可以借此感受到機器人在運動中承受著怎樣的阻力。

以手術機器人為例，醫(yī)生可以身處遠程位置對其進行操作，亦可借此使用小巧的工具或在極小的空間內完成動作。已經有大量研究表明，在控制這些機器人時添加觸覺反饋機制，能夠顯著提高準確性并減少組織損傷與手術時間。此外，觸覺反饋機制的引入還使得醫(yī)生能夠直接通過虛擬現實環(huán)境對患者進行模擬手術訓練，且在過程中獲得與實際切割以及縫合相匹配的感覺。Culbertson的一名學生目前正在開發(fā)牙科模擬器，以便牙科學生對虛擬環(huán)境下的牙齒進行鉆孔實驗。

此外，通過觸覺反饋理解操作中機器人所處的環(huán)境，也將有助于拆解炸彈或者從倒塌的建筑物中營救受影響人員，甚至在不適合太空街的場景下進行衛(wèi)星修理。事實上，迪士尼公司正在研究觸覺式遠程呈現機器人，旨在實現更安全的人機交互體驗。他們開發(fā)出一套具有氣動管的系統(tǒng)，能夠將人形機器人的機械臂與人類可以握持的一組映射臂對接起來。這意味著操作人員能夠操縱映射臂下達指令，而實際機器人端則可借此實現拿起氣球、拾起雞蛋或者輕撫小朋友的面頰等動作。

在較小的規(guī)模之下，位于洛桑的瑞士聯(lián)邦理工學院（簡稱EPFL）的機器人專家Jamie Paik在實驗室當中開發(fā)出一種名為Foldaway的便攜式觸覺平臺。其尺寸類似于一個方形的飲料托盤，設備中央帶有三個能夠彈出的鉸接臂，并在中心位置彼此嚙合。（實驗室中的博士后Stefano Mintchev將其稱為「小型折疊機器人」）。各手臂嚙合部位設置有一個小小的塑料插槽，從而共同構成一個三維動作操縱桿——各手臂負責提供助力，使得用戶感覺到就像在推動真實對象一樣。在演示當中，團隊利用該設備控制空中無人機，掠奪虛擬物體并感受虛擬環(huán)境下的人體解剖結構。

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

但抓握式設計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字物體時，設備該如何提供重量感？通過研究神經科學，工程師們設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行振動反饋，其就能夠為用戶帶來重量與慣性的錯覺。

但西北大學機械工程師Ed Colgate認為，“愚弄大腦的作法也只能達到這樣的程度了?！边@位專門研究觸覺問題的工程師表示，關于觸覺的幻覺極易被打破；因此從長遠角度來看，工程師們必須盡可能忠實地重建現實世界中的物理現象，包括重量以及其它反饋——“這是一個非常困難的問題。”

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

當在手指上佩戴各種實驗裝置時，用戶即可在虛擬現實中觸摸物體，并以不同的力度按壓指墊。然而，近來出現的很多設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動能力的馬達。如此一來，手指即可自由與現實世界中的物體繼續(xù)交互，但同時亦能夠感知到各類“虛擬”物體——這種能力無論是對游戲還是其它嚴肅應用而言，都是一項重要的實用性功能。

在測試當中，人們可以握住一截真正的粉筆并感受壓力，因為他們能夠憑借著觸覺反饋結合真實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，又能夠感受到馬達驅動下帶來的板書書寫反饋，這一切都與實際書寫別無二致。

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

該背心的首個實際應用，在于將聲音轉化為觸覺，從而使得聽力損失嚴重或者完全失聰的人們能夠更輕松地理解口語。Eagleman還致力于將視覺世界中的各類元素轉化為盲人能夠感知到的震動。其它研究方向則涉及更為抽象的信息，例如市場與環(huán)境數據——相較于在空間網絡中指示事物，復雜的震動模式甚至可用于表達十幾只股票的實時價格變動。

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

由于震動電機往往比較笨重，因此也有一些實驗室正在開發(fā)更舒適的解決方案。Paik在EPFL實驗室當中就在開發(fā)一種柔性氣動執(zhí)行器（簡稱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。各個氣囊每秒可以獨立充氣與放氣幾十次，從而充當觸覺元素的基本像素，最終建立起一套感知網格。這種材料有可能被引入類似于《頭號玩家》中的玩家套裝當中，或者用于反饋機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，用戶對其進行擠壓時，對應的信號即可作為計算機輸入進行傳遞。

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構建而成，采用新型聚偏二氟乙烯塑料制成，能夠在強度、柔韌性與電氣響應能力之間取得完美平衡。當在柔性材料薄膜的一側上層疊加并施加電荷時，薄膜即會收縮并彎曲，使得皮膚感受到相應壓力。Novasentis現在已經開始為設備制造商提供材料，這些設備制造商可以利用其構建虛擬現實設備以及游戲操縱手套。

該公司市場營銷副總裁Sri Peruvemba表示，“大家可以借此區(qū)分水、沙子以及巖石等虛擬對象?！贝送?，VR設計師還能夠創(chuàng)造出更為抽象的表示效果，例如關于游戲狀態(tài)的感官傳遞消息。Peruvemba指出，“我們甚至可以利用這種技術創(chuàng)建出一種完整的觸覺語言。”

震動還能夠產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的設備能夠在某一方向上快速移動，而后慢慢由另一方向往回移動，且每秒進行多次，即可感受到其似乎是在前一個方向之上產生拉扯感。

雖然大多數可穿戴設備主要采用觸感設計，但也有一些可以利用肌肉關節(jié)肌腱等部分輸入動覺感受。工程師們開發(fā)出機器人外骨骼，這是一種包含傳感器與馬達，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、為士兵提供超強的力量，同時也允許我們遠距離控制機器人。EPFL的一座實驗室即開發(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系，但其確實允許使用者通過移動自己的手臂并扭動軀干來控制空中無人機的飛行。當無人機感受到陣風時，用戶也能夠獲得同樣的感受。

最后一類設備則屬于可觸摸界面，例如智能手機屏幕，這意味著我們點擊應用程序功能圖標時會產生一點點碰撞感。Culbertson的工作成果絕不限于簡單的震動與嗡嗡作響。她使用的是所謂“數據驅動型觸覺”模擬物體表面上的紋理。相較于編寫復雜的算法或者物理模型來生成模擬真實模型的震動，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時，會發(fā)生怎樣的現象。通過這種方式，她嘗試用筆在平面之上拖動，并對平面上的震動進行回放。如此一來，應用程序即可很好地還原這種效應，從而支撐起良好的在線購物乃至虛擬博物館展示體驗。

▲可觸摸型觸覺設備使得用戶能夠“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模式。震動的變化取決于筆的移動速度，以及用戶施加的壓力大小。其目標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所發(fā)出的點擊聲音，會使得人們感到自己真的按動了物理按鈕?；蛘?，也可以讓屏幕在手指點擊時顯示變形效果，從而體現出類似于柔性特征的表現。通過將視覺、聽覺、觸覺、味覺以及嗅覺加以結合，人們共同建立起整體感知系統(tǒng)——正如Culbertson所言，“只要實現感官層面的不匹配，我們就能很容易欺騙人類的大腦?！?/p>

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