利用电子技术自由创造触觉的时代已经到来

当我们在计算机或智能手机上操作应用程序，甚至使用互联网上的服务时，我们通过视觉和声音与机器进行交互。此外，当我们看电视或打电话时，我们依靠视觉和听觉来获取信息。用户与当前电子设备之间交换的大部分信息，例如字母和数字、照片和视频、图形、音乐和音频，都是通过人类视觉和听觉获得的。

人类从视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉这五种感官中接收到的信息量并不相同。关于人类感知信息的分解有多种理论，但根据《工业教育设备系统手册》，83%来自视觉，11%来自听觉，35%来自嗅觉，15%来自触觉，1%来自味觉。也就是说，90%以上的信息都是通过视觉和听觉获得的。用于操作电子设备的用户界面和用于传达信息的媒体应该吸引视觉和听觉，这似乎是非常合乎逻辑的。

Apple 开始专注于利用触觉

然而，近年来，技术发展迅速，可以通过用户界面和媒体中的触觉来交换信息。此外，使用电子设备人工再现各种感觉的技术以及利用这些技术的新用户界面和媒体也相继被提出。

最广为人知的例子是 Apple 在其智能手机“iPhone”的触摸面板中使用的触觉反馈技术“3D Touch”（图 1）。当用户用他或她的手指按压触摸面板上的图标时，用户人为地产生按压面板的感觉。 “Taptic Engine”，一个结合了执行器和振动重锤的组件^＊1使面板根据您按下图标的压力而振动。这会产生按下面板上显示的按钮的感觉，即使面板实际上并未被压入。

[图 1] Taptic Engine，它创造了在 iPhone 内部推动图标等的感觉。这使得“3D Touch”成为可能。
来源：Apple 视频

电子相关展览中正在出现触觉热潮

触觉反馈技术自 20 世纪 90 年代以来一直由美国公司 Immersion 开发并商业化。该公司提供游戏软件开发套件，使用控制器创造 120 多种感觉，包括碰撞、爆炸、振动、撞击、触摸、摩擦以及上升和下降感觉。然后，在2000年代，包括阿尔卑斯电气、京瓷和SMK在内的许多电子元件制造商开始在展览和其他活动中展示触觉反馈触摸面板，将Immersion的技术与他们自己的专有技术相结合。

目前，在展示电子技术的展览上，使用电气机制人为地产生触觉的触觉设备的提案正在变得有点热潮。当前的繁荣是由触觉反馈技术从游戏机控制器等娱乐领域扩展到智能手机和车载设备等各种设备推动的。

Nidec Copal 在 2017 年 1 月于美国举行的消费电子展 (CES) 2017 上展出了一款利用类似于 Taptic Engine 的横向力场的触觉设备。横向力场是一种利用人体皮肤的特性将水平振动感知为触觉的技术，并改变水平振动以产生平面是凸面或凹面的错觉。通过使用水平线性致动器高精度控制振动的上升速度、振幅和频率，可以自由地创造触觉。除了智能手机之外，该公司还提出了车载设备、住宅设备中的用户界面以及虚拟现实（VR）中的触觉输出的应用。

车载设备经常涉及摸索操作

许多电子元件制造商建议使用触觉反馈作为车载设备的用户界面，这通常需要摸索操作。

例如，阿尔卑斯电气公司并不广为人知，但它在 2000 年推出了一种名为“Haptic Commander”的触觉设备，可以模拟汽车空调控制旋钮的感觉。利用人类指尖的敏感性，根据情况改变转动单个旋钮的感觉，从而可以使用多种功能。您可以使用软件自由地改变和控制同一个转盘，例如以“点击”的方式间断地移动它，以“滑动”的方式连续地移动它，或者改变转动时的阻力。该技术已在宝马的豪华轿车中采用（图2）。顺便说一句，“haptic”一词在英语中的意思是“触觉”或“HAPTIC”，是阿尔卑斯电气在日本的商标。

【图2】宝马采用触觉反馈技术的车载设备控制拨盘“iDrive”
来源：宝马

德国的罗伯特·博世 (Robert Bosch) 和京瓷 (Kyocera) 也提出了在触摸屏中利用触觉反馈的建议。例如，博世在CES等展会上展示了一款竖条纹图案的触摸屏，在垂直方向滑动很容易，但在水平方向感觉有阻力，而横条纹图案则给用户带来相反的操作感。这使得驾驶员可以通过手指感觉来识别按键，而无需直视触摸屏上的图标。

操作旋钮和开关是向机器传达用户意图的手段，是用户能够感受到与设备一体感的部分。另外，在使用设备时，经常要对其进行处理。通过这些操作，用户可以获得可靠的操作感、安全感、舒适感、品质感以及制造商的品牌感。因此，可以随意操纵的触觉设备发挥着重要作用，即使它们是像拨号盘或开关这样普通的东西。

UI和媒体追求真实感

车载设备用户界面中触觉应用的好处很容易理解。然而，当前的触觉繁荣并不局限于车载设备。为什么利用触觉来开发电子设备的势头如此之大，而触觉仅提供了 15% 的信息？这是因为触觉可以传达视觉或听觉无法传达的真实感。真实感是指某物真实存在的感觉。

视觉和听觉确实可以接收大量信息。然而，这两种感觉并不需要接触。另一方面，触觉是一种只有当我们接触物体时才能感觉到的感觉。触摸实际存在的事物是触觉的前提。

通过视觉和听觉交换信息就像透过动物园的笼子感受到狮子的存在。另一方面，通过触觉表达的信息可以像你用手抚摸狮子一样表达。这是一个很大的区别。智能手机和游戏机的用户已经通过视觉和听觉沉浸在虚拟世界中，但如果传达信息的媒体能够处理触觉，虚拟世界中的信息将变得有形并接近用户。

触觉是一种补充和扩展视觉和听觉的感觉

然而，触觉是一种辅助性、扩展性的感觉，除非与视觉和听觉相结合，否则无法被感觉到。

电视综艺节目中经常可以看到清楚地证明这一点的场景。当表演者被蒙住眼睛时，他能够毫无问题地触摸青蛙，但当眼罩被取下时，他尖叫着逃跑了。另一方面，你是否见过有人在看不见魔芋的时候小心翼翼地触摸它，但当他们看到魔芋时，却又释然了，并把它捡了起来？

当前大量触觉相关技术提案背后的原因是，利用触觉与视觉和听觉相结合的技术基础，例如触摸板和 VR，已经得到了巩固。在五种感官中，嗅觉和味觉是通过化学现象来检测信息的感官，所以如果我们连触觉都能够操纵，那么我们几乎就可以完成通过人类能够感受到的物理现象来检测信息的能力。

多样化的触觉表达技术

触摸是一种极其通用的认知功能。触觉一词可用于描述各种现象，包括压力、振动、运动、温度和静电。而且，人体有触觉的部位分布在全身各处，这与视觉集中在眼睛、听觉集中在耳朵不同。因此，触觉再现技术自然会朝着多样化的方向发展。目前触觉反馈技术的发展正朝着更真实地再现更多物体的感觉的方向发展。我来介绍一些有代表性的例子。

阿尔卑斯电气在 2016 年 10 月举办的“CEATEC JAPAN 2016”上展示了四种可产生各种触感的触觉反馈技术（图 3）。这项技术清楚地表明了当前实用水平的技术发展达到的程度。公司展出的部分技术已经实现商业化。

[图3]阿尔卑斯电气在CEATEC JAPAN 2016上展示的四种触觉反馈技术
从左到右：“触觉反应器”、“触觉垫”、“触觉触发器”
“触觉触发器增强版”
照片：拍摄于 CEATEC JAPAN 2016 的 Alps Electric 展位

首先，有一个“触觉反应器”，它利用振动为图像和音乐增添真实感。它可以像游戏机控制器一样握持和操作，您可以感受到掉落的球的振动或吉他或鼓等乐器的振动。通过叠加低频和高频振动，可以再现各种感觉。

接下来是“触觉垫”，它通过使用压电材料的致动器的振动来表达物体材料表面的纹理。当您用触摸板在屏幕上描画牛仔布、瓷砖、砂浆等材料的图像时，您可以感觉到触摸板的粗糙度和不平整度。瓷砖接缝处的纹理变化方式也被再现，视觉和触觉的结合进一步增强了真实感。

接下来是“触觉触发器”，它通过改变压力来表达材料的硬度。当你捏住胶囊形状的装置时，你可以感受到小熊软糖、樱桃番茄和酸橘的弹性和质感。在樱桃番茄演示中，如果捏得太用力，它会压碎并失去质感，而在 Sudachi 中，它再现了挤压的感觉。还有一个演示，你可以通过捏心脏图形来感受到心跳。

最后，我们有“Haptic Trigger Plus”，它不仅通过振动和压力表达触觉，还使用珀尔帖元件表达温度。振动和温度通过杯状装置上的两个按钮传递，进一步按下按钮，可以感受到物体的硬度和弹性。当水倒入杯中时，我不仅感受到了触感，还感受到了里面水的冷热。此外，当你按下杯状装置上的按钮时，你可以体验到纸杯被压碎的感觉。

不仅可以向手传达步行感，还可以向脚传达步行感的技术正在出现。在 CES 2017 上，Cerevo 推出了鞋子和手套，可结合 VR 图像和音频为手和脚提供触觉反馈（图 4）。这使得 VR 空间能够再现踩在地面上的感觉差异，例如沙漠、草原或水边，以及角色所穿鞋子类型的感觉。鞋子和手套内置9轴（3轴加速度、3轴角速度、3轴地磁）传感器，还可以作为VR游戏的输入设备。

[图4]为erevo的脚和手提供触觉的VR鞋和手套
来源：cerevo 新闻稿

研究级技术也已开发出来，可以利用超声波或超短脉冲激光产生的等离子体在空气中创建触觉场，而无需使用致动器等机械机构。我想在第 3 部分中更详细地介绍这项技术，该部分解释了传达触觉的媒体。

利用幻觉创造触觉

将触觉用于用户界面和将其用于媒体时所需的表达技术水平有很大不同。用户界面可以相对自由地开发，以使用任何可以实现的表达技术来提供可靠的操作感和舒适度。相比之下，媒体必须忠实地再现真实事物的感觉和质感。目前，表达触觉的技术已经达到了可以用于用户界面的水平，但可以说，目前的状态还不足以将其用作媒体。因此，正在进行研究以重现更真实的触觉。

电子通信大学副教授 Hiroyuki Kajimoto 进行了一项研究，通过刺激皮肤内感知触觉的感觉受体，而不是刺激大面积的皮肤，来创造细粒度的触觉。我们创建了一个原型触觉显示器，它使用电流和机械运动来提供与皮肤中四种受体相对应的刺激。该设备还可以感知计算机内部 3D 物体表面的触觉，以及手指敲击物体一角时的触觉。

四种受体中，迈斯纳小体和默克尔细胞以约2毫米的间隔密集分布在皮肤表面附近，对压力和低频振动敏感（图5）。刺激该区域的装置从薄膜上以 2mm 间隔排列的网格状电极向指尖的皮肤表面发送电流。另一方面，位于皮肤深处的称为鲁菲尼终端和帕西尼小体的受体感知机械位移和高频。刺激该区域的设备使用电机产生振动。梶本先生将这四种元素恰当地结合起来，再现了触觉。

[图 5] 在无毛的人类皮肤中感知触摸的四种受体。图中，RA为迈斯纳小体，SAI为默克尔细胞，SAII为鲁菲尼末端，PC为帕西尼小体。
来源：梶本博之博士论文《基于触觉原色原理的电触觉显示》

需要触觉设计框架

各种触觉表达技术已经出现，但为了将触觉数字化并将其用于用户界面和媒体中，在建立表达技术之前实际上需要解决一些问题。它是客观表达触觉的一个指标。

例如，照片和视频作为视觉表达，可以使用颜色、亮度等客观、数字化的指标来表达。这些指标使您能够完全按照自己的需要设计视觉效果。然而触觉却缺乏这样的客观指标。例如，在表达物体表面的质感时，我们会使用“光滑”、“粗糙”、“粘糊糊”等模棱两可的拟声词。如果试图表达得更详细，最终会使用依赖听者经验的表达方式，如“光滑如玻璃窗”。而且，甚至无法对语言所表达的感觉与所创造的感觉是接近还是遥远做出相对的评价。而且，实际上，即使物体的表面状况相同，如果温度或硬度不同，手感也会发生变化。在这种情况下，如何设计触觉是一个重大挑战。

因此，日本庆应义塾大学特聘教授、日本虚拟现实研究先驱 Tachi Tate，为了创造出能够向远方传达详细触觉和存在感的机器人，Susumu 教授提出了触觉原色原理，以触觉为指标，将其分解为七种基本感觉：压力、低频振动、高频振动、皮肤拉伸、冷、热、和疼痛。之前介绍的阿尔卑斯电气的触觉反馈技术以及电气通信大学梶本先生的研究就是基于这种触觉原色原理而开发的触觉表达技术。

此外，NTT Communications 的 Junji Watanabe 和庆应大学副教授 Kota Minamisawa 正在共同研究并提出触觉设计的系统化。作为触觉设计的第一步，我们确定了可以参考哪些触觉材料，组织它们之间的关系，并将它们可视化。具体来说，触觉材料根据一定的规则排列在二维平面上，并创建一个显示触觉的接近和距离的地图（图6）。它阐明了各种触觉之间的异同，以便触觉设计者可以共享它们。

[图6]组织和映射表达触觉的各种拟态词的相对关系
来源：NTT 技术杂志，2011 年 9 月

与视觉和听觉的表达技术相比，与触觉相关的技术的发展可以说是一个尚未开发的领域。未来，基于创新理念的技术将会层出不穷。在本系列的第 2 部分中，我们将讨论通过利用电子设备用户界面中的触摸感所带来的可能性，以及目前正在开发的技术类型。

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任 3 年半导体开发工程师，在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics、Nikkei BP Semiconductor Research 等公司担任记者/台/主编 12 年新闻工作，在 Techno Associates（Nikkei BP 和三菱商事的合资智囊团）担任顾问 6 年为制造商业务提供支持，以及在日本担任广告制作人 4 年营销支持Nikkei BP 技术信息组的广告部门。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/