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感測器/MEMS  

立體觸感技術打造擴增實境體驗

上網時間: 2014年08月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:觸感技術  擴增實境  AR  觸覺介面  3D 

作者:Julien Happich

如果大家都熟悉大多數手機的基本靜音模式——觸覺的原始形式(試著在你的衣服口袋中感受手機的振動),可別忽略了顯示器端也有更多值得期待的觸覺新功能。

從實驗室到新創公司,一場為螢幕上所顯示的任何物件添加實體觸感與紋理結構的競賽即將展開。從帶有‘按壓’感覺的簡易鍵盤到3D形狀與結構的複雜渲染,無論是具有實體存在或看似平坦的表面,都是這一新興應用的範圍。

在日前於法國凡爾賽舉行的歐洲觸覺會議(EuroHaptics 2014),包括各種與人類觸覺感知有關的實驗研究成果、有形的觸覺介面、動力反饋編碼機制以及一系列創新的致動器與觸覺裝置展示,成為與會者熱切討論的話題。

在任何感測資訊得以有效地善加利用觸覺介面以前,應該先明白人類如何感知觸覺,以及我們對世界的看法和經驗如何影響個人區分功能與物體的能力。根據許多基礎研究的深入探討可知,僅具有單一觸控功能的觸覺裝置存在某些限制,而結合觸控、視覺與聲音的多功能觸覺裝置,則提供了更好的感知想像。這就如同我們大多數人自然體驗現實世界物件的方式一樣,具有多感知的介面能夠提供更好的想像,以及讓用戶更易於操縱虛擬物件。

幾家研究機構介紹了開發機械式可重配置觸覺介面的計劃,這些介面都帶有能夠突出於螢幕表面的活塞和致動器(Actuator)。因為這些設計建置的體積通常都比較大,而且不透明,因而無法整合於智慧型手機和平板電腦中,但研究人員們認為它可作為增強型桌面鍵盤。

日本慶應大學的研究人員設計出一款MEMS觸感顯示器,可用來產生虛擬的表面結構。這種小型化的原型產品在一個存在0.48mm直徑小孔的鈦面板下方佈置著大位移的MEMS致動器。

每個大位移MEMS內有一個壓電致動器,透過填充著無法壓縮聚合物流體的腔體推動塑膠活塞上下移動,當活塞向上運動時推動可變形的乳膠薄膜產生突起觸感。

日本慶應大學設計的觸感顯示器。
圖1:日本慶應大學設計的觸感顯示器。

在致動時,液壓放大機制擠壓流體,使得小型乳膠薄膜能夠透過面板的小孔向上突起。為了能以手指觸覺神經末梢有效進行辨識區別,觸點之間間隔約幾毫米,突起運動頻率為幾赫茲時可突出100μm,當頻率高達200Hz時突出就只有幾μm了。

透過控制位移、振動頻率和致動器驅動圖案,研究人員闡述了各種不同的觸摸感覺,可模擬多種表面結構,如木頭、聚氨酯泡沫和砂紙等。

美國密西根大學(University of Michigan)的研究人員詳細介紹一種觸覺顯示器原型。這種顯示器利用氣體力學驅動一個7×8陣列、直徑為1.2mm、間距為2.5mm的插栓,可為視覺受損的使用者提供具有清晰方向感的觸覺編碼資訊(例如盲人用的點字和觸感圖形)。

你可以說它是觸感顯示器的「蒸汽龐克」,其中的受壓空氣透過小型管路流動時將可滑行的插栓向上頂起(垂直行程為0.75mm)。在向上頂起時,插栓將推動很薄的彈性薄膜,使其突出於面板外。這種系統的刷新率相當低,還不到2Hz,因此非常適合盲人點字閱讀應用,但無法模擬紋理結構和‘點擊’感。

為盲人閱讀而設計的氣體致動器。
圖2:為盲人閱讀而設計的氣體致動器。

在法國原子能署(CEA)的感知與環境介面實驗室,研究人員採用另類活塞設計,開發出一種有趣的突起觸感顯示器。

在一篇與汽車製造商雷諾公司(Renault)的研究工程師共同撰寫的「用於車載觸覺互動的另類觸感顯示器」論文中,CEA LIST實驗室介紹一種採用32個電磁致動器(各個線圈都有鐵/鋁複合磁芯)陣列建置的觸感顯示器,在這種顯示器上方覆蓋著一個電容器式觸控可變形層,以實現手指位置檢測。

CEA LIST實驗室的觸感顯示器。
圖3:CEA LIST實驗室的觸感顯示器。

植入彈性矽膠支撐的薄銅線矩陣形成了可變形的觸控螢幕,觸點突出表面的距離可達1.9mm,而兩級鎖定機制使其具有雙穩態性能,從而大幅地降低功耗。在當前的建置中,整合進汽車中控台的設備據稱可實現2Hz的刷新率。

當合理的變形幅度約為0.25mm時,在設備上一個約1.25N的施力就可以提供足夠的觸覺反饋,從而為用戶帶來一個‘點擊的感覺’。研究人員希望重新設計系統,使其具有更高的致動器密度,整合289個間距約3mm的觸點,最終實現無觸點感的表面形狀。

Tactus Technology公司在SID 2012上展示的Tactile Layer液晶螢幕面板雖然稍有不同,但也被認為是一種突起的螢幕。它利用一層透明的微流體將充滿液體的泵推升出普通的觸控液晶螢幕,好像從螢幕上長出鍵盤一樣,形成用戶可以看見和感覺到的動態實體按鍵。

由於刷新率大約為1Hz,因此這種介面很明顯是瞄準螢幕鍵盤而設計。根據Tactus Technology公司宣稱,該公司可在液晶螢面板上開發出幾乎任何類型的按鍵配置或佈局(在製造過程中設定)。該公司正尋找平板電腦或智慧型手機合作夥伴,期望共同在產品中整合新的泵推升式鍵盤。

Tactus公司的Tactile Layer面板表面突出QWERTY按鍵。
圖4:Tactus公司的Tactile Layer面板表面突出QWERTY按鍵。

然而,對於有些人來說,改變平坦的螢幕表面還不夠。東京大學的研究人員於是開發出一種能夠改變真實世界紋理結構的方法,例如把像紙般的觸感變成金屬質感,或把原木質感變成紙般的觸感。研究人員們利用28kHz換能器耦合至可改變結構的物件上,藉由控制輸入訊號的振幅,研究人員們就能根據擠壓效應確定手指相對於材料表面的懸浮高度。

改變物件的實際結構反映原型感知變化
圖5:改變物件的實際結構反映原型感知變化

為了接近實際物件,研究人員採用高解析度的真實世界紋理結構(以3軸加速度計採集)來取代合成資料。研究人員認為不同的材料結構可被映射至現有的製造原型,在產品精煉過程中反映出CAD的變化。藉由以投射影像追蹤手指位置顯示表面的不同紋理結構,研究人員們還能模擬並增補相同表面的不同結構。在第一次預處理步驟,研究人員減少物件的原始實際結構。而第二步驟目的是在適當頻率時施加超音波振動,重新寫入紋理結構。

(參考原文:Haptic screens bulge with sensory information,by Julien Happich)





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