触觉触摸屏的未来

当约瑟夫·奎恩蒂尼亚（Joseph Quintanilla）的手指在触摸屏上滑动时，他感觉到一种细微的颠簸感。来回摩擦，他感觉到粗糙感逐渐消失，取而代之的是一块平坦的玻璃表面。“是的，我能感觉到它越来越光滑了，”看不见的奎恩蒂尼亚说道。

他手中的触摸板显示的是一扇结霜的窗户，他的手指每次划过都会让它变得更光滑。这是 Ali Israr，迪士尼研究院的一名工程师，部分创造出来的效果。Israr 专攻触觉工程，该工程专注于将触觉刺激应用于我们与计算机的交互中。

奎恩蒂尼亚指尖下的纹理并不完全模仿指尖下雪的感觉——温度变化，固体变成液体——但它确实传达了一种粗糙纹理变得光滑甚至平坦的感觉。Israr 描述完图像后，奎恩蒂尼亚立刻明白了。“哦，是的，我现在可以想象了，”他说。“这太酷了。”

奎恩蒂尼亚在国家盲文出版社担任主要礼物和计划赠与的董事，他正在寻找一种工具，可以帮助失明儿童在参加标准化考试时阅读地图和图表。目前，这些学生使用带有凸起线条的纸张来表示图像——这种格式自 19 世纪 20 年代以来几乎没有改变，而且印刷成本越来越高。

奎恩蒂尼亚听说了 Israr 在迪士尼 TeslaTouch** 上的工作，这是一个通过摩擦力让用户感觉自己正在与屏幕上的图像进行交互的平板屏幕，他决定亲自考察一下，考虑将其纳入拨款资助。

Israr 是一个致力于让触摸屏更加“可触摸”的研究人员社区的一员。我们手指在平板屏幕上的移动已经取代了从 ATM 机到手机上的按钮和按键，现在研究人员正在探索下一个前沿：添加触觉反馈，以增强用户直接与技术交互的感觉。根据 Israr 的说法，像 TeslaTouch 这样的先进触摸屏即将得到广泛应用。“现在看来可能很疯狂，但我敢打赌，10 年后，人们会觉得‘当然是这样’，”他说。“这只会成为我们对设备的期望。”

引起感觉

Israr 浓密的黑发、圆圆的脸颊以及他 T 恤和连帽衫的“工作制服”，让他看起来比实际年龄（30 多岁）年轻。他一直都知道自己会成为一名工程师，但在普渡大学攻读博士学位之前，他从未听说过触觉（来自希腊语，意为“触摸”）。在那里，Israr 在一个名为“触觉器”（tactuator）的设备上工作——该设备可以将音频录音转化为手指可以感受到的运动——以了解如何传递各种字母的声音。理论上，这将有助于盲人根据海伦·凯勒著名的塔多马法（Tadoma method）进行交流，该方法允许她通过将手指放在说话者的嘴唇和下巴线上来理解语音。

通过他的研究，Israr 逐渐理解了通过技术传达不同类型触摸的复杂性——声音振动、呼吸产生的阵风以及下颌运动。他着手尝试用机器模仿这些感觉。他的研究表明，用户通过触摸可以理解比任何人预期的都要多的声音，但不幸的是，Israr 于 2007 年毕业后，没有人继续进行触觉器的研究。直到今天，它仍然只是一个想法和一个原型。

在莱斯大学的触觉实验室进行了博士后研究之后，Israr 于 2009 年进入迪士尼工作。长远来看，触觉技术可以在游乐园游乐设施或游戏设备中找到应用。在迪士尼，他开始师从 Ivan Poupyrev，他是一位在传感器和产品设计方面有专长的首席研究科学家。（Poupyrev 此后离开了迪士尼，去了谷歌。）在 Israr 入职初期，Poupyrev 和研究员 Olivier Bau 构建了触觉平板电脑硬件的早期模型。

Poupyrev 最初是在前一年，当时他在索尼担任工程师时偶然产生了这个想法。一天晚上，当他试图组装来自供应商的触摸屏零件时，同时还在开发另一个使用触觉反馈的产品，他弄混了接线说明。突然，当他用手指滑过屏幕时，他感觉到一种橡胶般的感觉。当时，Poupyrev 很忙于其他工作，所以他暂时搁置了这个奇怪的感觉。

当索尼的一次重组导致 Poupyrev 的产品开发项目被关闭时，他加入了迪士尼，担任首席研究科学家。在那里，他购买了类似的材料——一块玻璃板，上面覆盖着一层透明导电层，再覆盖一层薄绝缘层——并试图重现这种感觉。

在试图理解这种现象的过程中，该团队发现了一篇由化学家 Edward Mallinckrodt 于 1953 年撰写的论文，该论文首次描述了这项被称为“电振动”（electrovibration）的技术。

Mallinckrodt 在注意到一个闪亮的黄铜电灯插座在熄灭时比灯亮着时感觉更光滑时，发现了这种现象。经过几年的实验试图找出原因，他意识到薄绝缘层可以防止手指触电，但仍然携带电流，让手指注意到流过表面的电流。这会轻轻地将手指吸引到表面，拉伸皮肤。虽然当手指静止不动时，力太弱而无法察觉，但当手指在表面移动时，它会产生触觉阻力。

几周之内，Poupyrev 和 Bau 就重现了 Poupyrev 意外发现的那种感觉。他们以发明了为设备供电的交流电的尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的名字将其命名为 TeslaTouch。Poupyrev 知道他们有所发现，并邀请了在理解人们对触觉信息感知方面有经验的 Israr 加入，以帮助确定如何将这些电力的作用转化为有意义的体验。

一次触感实验

为了弄清楚这一点，Israr 和 TeslaTouch 团队需要更多数据。他们请受试者进入实验室，描述当 Israr 以各种频率和振幅对屏幕充电时他们的感受。鼓励受试者使用名词来描述感觉：毛皮、丝绸、牛仔裤、砂纸。低频刺激感觉更粗糙，如木头和皮革。高频刺激感觉更光滑，如纸张和粉刷过的墙壁。通常，改变振幅也是如此：高振幅感觉更光滑。

将两者结合产生更多感觉。高频和高振幅使表面感觉非常光滑，就像用乳胶漆刷过的墙壁。另一方面，在低频下提高振幅会使屏幕感觉有点粘，就像摩托车把手或软橡胶。一名受试者甚至说感觉像是用手指穿过粘稠的液体。

该团队现在拥有一个可以用来使屏幕感觉光滑、颠簸、粗糙或粘稠的纹理库。接下来，他们集思广益，创造了利用 TeslaTouch 上这些效果的触觉错觉。低频电流的颠簸感产生了一个带有脊状滚轮的虚拟鼠标。通过在低频下逐渐增加振幅，研究人员认为他们可以产生用户手指粘在屏幕上的感觉。他们投影了三种不同重量的图像。最大的，振幅最高的，产生了最粘的感觉，因此当用户在屏幕上移动它时产生的摩擦力给人一种沉重感。

在一个周末暴风雪过后，团队想出了一个想法，即擦拭结霜的窗户，每一次擦拭都会增加频率，使表面触感更光滑——这正是奎恩蒂尼亚在 Israr 办公室里感受到的效果。

在接下来的几年里，Israr 和他的同事们周游世界，在技术会议上展示了这个模型以引起兴趣。尽管这项技术给科学家和商人留下了深刻印象，但他们不断询问它还能做什么。在屏幕上创建纹理很有趣，但它能否显示 3D 图形或向手部的不同部分传达不同的感觉，真正模仿我们日常生活中体验触摸的方式？Israr 决定找出答案。

达到新的高度

在研究触觉时，Israr 了解到人类主要通过皮肤的拉伸来感知表面的凹凸和坡度。在表面凸起的地方，他们会感觉到手指上的摩擦力增加。凹陷处自然会发生相反的情况。Israr 随后推测，更高的电压会产生更多的摩擦力，会让用户感觉屏幕在向上推他们的手指，从而产生 3D 效果。带着这个假设，他着手创造在平坦屏幕上产生单个大凸起的感觉。

Israr 再次求助于研究对象，让他们感受在不同电压下运行的触摸屏。Israr 投影了一个从上方拍摄的钟形图像，并让受试者说出当他们用手指滑动时，哪种摩擦模式最符合他们的预期感觉。他试图在用户到达凸起顶部时关闭电压，以及将电压与他们对图像各部分感知的高度相匹配。

但这两种尝试都让用户感觉不对劲；后一种让大多数人感觉表面是凸起的，然后是平坦的。最终，用户感觉最像图像的电振动模式是将摩擦力与凸起的斜度相匹配：曲线越陡，增加摩擦力所需的电压就越高。

虽然其他几位研究人员也能在平板设备上通过振动创建纹理，但 Israr 是第一个开发出用于在触摸表面上进行 3D 特征和纹理的触觉渲染算法的人。使用他用来创建凸起表面的相同理论，Israr 编写了一个算法，允许用户感受任何“深度图”（depth map），这是一种传达有关对象距离和表面信息的计算机图形。这对 Israr 和他的团队来说是一个突破。

Israr 认为下一步将是看该设备是否能够为用户的每根手指提供不同的感觉。这将允许另一个级别的 3D 触觉错觉：当一只手滑过桌面时，每一根手指会依次到达角落；一个钢琴键盘应用程序将允许用户在弹奏和弦时感受到几个琴键的凹陷。

“如果我们能向多根手指传输信号，可能性是巨大的，”Israr 说。“想象一下它可以用来做什么。我们可以为盲人创建 3D 界面。我们可以在线购物前就感觉到衣服。我们可以在 Skype 通话时传输触感。”

触觉的终结

触觉屏幕的潜在应用也许可以通过 Israr 在 TeslaTouch 上最喜欢的错觉之一来最好地展示。在他的办公室里，当 Quintanilla 操作平板电脑时，他遇到了一个网格上的矩形图像，就像中学几何作业里的东西。Israr 指导 Quintanilla 的手指触摸矩形的角落，让他拖动它。

当 Quintanilla 在屏幕上移动他的手时，TeslaTouch 会在他的手指上产生一个摩擦力。当多边形的角到达网格上的另一个顶点时，拖动力就会释放，让 Quintanilla 感觉像是将矩形的角“吸”到位。“好的，我能感觉到它释放了，”Quintanilla 说。“我把它移到了一个点，对吗？”

“我喜欢这个错觉，因为它展示了这项技术的潜力，”Israr 说。“我们需要手指上的反馈来告诉我们如何在屏幕上移动。一旦有了反馈，就可以更容易地使用屏幕进行创作。”

Quintanilla 同意。“这款产品与其他我试过的触觉设备不同之处在于，它在响应我的动作，”他说。“我不仅仅是感受到某个固定不动的东西。”

尽管 Quintanilla 希望为盲人设计的工具可能还需要几年才能实现，但能够以我们无法想象的方式增强我们使用小工具的方法的技术正在到来。目前，Israr 并不太担心这项技术最终会如何被使用。“没有人真正知道它有什么用，”他说。“我们想构建界面，并且我们很好奇它将被用来创造什么。”

触摸屏最早的批评之一是我们的操作不精确。部分原因是缺乏反馈来告知我们的手指是否在正确的位置。Israr 说，如果我们能感觉到按钮，或者能感知到移动的纹理，我们将能更容易地使用它们。

“触觉可以帮助使技术更容易、更直观，”他说。“它可以帮助人们进行创作。”一旦人们能够物理上感受到他们正在交互的图像，就将无法回头。

[本文最初以“沉迷于感觉”的标题印刷。]

**更新于 2015 年 8 月 25 日：名为 TeslaTouch 的设备已更名为 Electrovibration Haptic Device