觸覺技術(Haptic Technology；Haptics)是近年來頗受矚目的研發領域，常見的應用是在裝置內添加「觸覺回饋」(Tactile Feedback) 的功能，讓手在碰觸裝置(例如觸控螢幕)時，不再只有冷硬的觸感，還能感受到「反饋力道」，這是因為該裝置可以立即產生例如力(force)、振動(vibration)、移動(motion)等回饋輸出，讓手指的碰觸感覺更為鮮明真實。

圖一、觸覺技術(Haptic Technology)

圖片來源：http://www.vigo.fi/case-senseg

觸覺技術發展至今，簡單明確的「力」回饋，已是最基本的應用呈現方式，但是除了「力」之外，我們的手指及手掌還能感知更多的訊息。

所以，現在廠商研發的目標是，如何讓使用者在觸控的同時，可以擬真的感受到螢幕畫面顯示的物件的質感，例如平滑、粗糙、凹凸、柔軟、針刺、彈性等等的感覺，也可以讓使用者在目光不及之處，只需憑觸感就可以在面板上辨別出按鍵的位置與功能等特徵。

目前觸覺回饋技術還是以觸控面板為主要的應用介面。在現今各家觸控面板的規格與功能差異不大的情況下，增加簡單的觸覺回饋功能可以做為商品的特色區隔；而更先進的觸覺回饋技術應用，會將我們的感官(視覺、聽覺、觸覺)交互結合，豐富使用者的情境感知，大幅提升觸控的娛樂性，而這特色就是一大賣點。

要讓觸控面板產生觸覺回饋的效果，可以透過在面板上製造振動的方式來達成，例如美國的Immersion公司，就是利用驅動各式馬達或致動器來產生不同程度的觸感(圖二)；也可以如同芬蘭的Senseg公司，在有特殊塗層的觸控面板上，以超低電流對塗層充電，當手指碰觸面板時，就會在手指皮膚上產生很小的引力，藉由調整充電量就可以產生質地、邊緣和振動等觸感(圖三)。

圖二、Immersion以致動器產生觸覺回饋

圖片來源：http://www.immersion.com/products/touchsense-tactile-feedback/

圖三、Senseg以靜電方式產生觸覺回饋

圖片來源：http://www.trustedreviews.com/news/senseg-feel-technology-explained

目前在觸控面板上最新的觸覺回饋技術，是日本的富士通(Fujitsu)在2014年初所發表的超音波振動(ultrasonic vibrations)技術，這項技術可以讓使用者在原本冷硬的觸控面板上感受到「平滑」與「粗糙」的觸感，而這二種觸感是先前技術無法產生的。

利用超音波來振動觸控面板，會因為擠壓薄膜效應(squeeze film effect)而在手指尖與觸控面板表面之間形成高壓空氣膜，結果就是手指感受到的面板摩擦力下降了，藉此營造出比振動前的面板更為滑順的觸感(圖四左)。

圖四、Fujitsu以超音波振動產生平滑與粗糙的觸覺回饋

圖片來源：http://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2014/0224-01.html

如果超音波的振動是在開啟與關閉之間快速交替著，則在手指滑過的同時，會連續感受到低摩擦力與高摩擦力交錯出現，如此即可營造出粗糙的觸感(圖四右)。

當手指在觸控面板上滑動時，超音波振動先關後開(圖五左)，摩擦力由高變低，手指感受到的是凹面的觸感；當手指在觸控面板上滑動時，超音波振動先開後關(圖五右)，摩擦力由低變高，手指感受到的是凸面的觸感。

圖五、凹凸面的觸感

圖片來源：US 2014/0347322

富士通已為這項超音波振動面板技術申請了專利，詳細的技術內容可參見於2014年11月27日公開的專利申請案"Drive Controlling Apparatus, Electronic Device and Drive Controlling Method"( US 2014/0347322)。

除了以手指直接接觸面板而獲取觸覺回饋的技術之外，也有可以於空中「凌空」產生可觸碰、可感知的「虛擬物體」的技術，使用者可以藉此在空中獲取觸覺回饋。

在自由空間中，只要能夠對懸浮於空中的手掌，提供擾動量足夠的氣流，手掌就會立即有所感覺，只要這擾動的氣流可以「聚焦」於某一小範圍，手掌就可以更明確的獲得「點」的觸覺，而非模糊「面」的觸覺，而這就是產生「凌空式」觸覺回饋最簡單的原理。

早在2005年，日本電信電話公司(NTT)就發表以氣體噴射(air jet)的方式，在空中製造出觸覺回饋的技術(圖六)，詳細的技術內容可以參見NTT於2012年8月7日獲證的專利"Method, Device and Program for Presenting Inner Force Sense and Program"(US 8239145 B2)。

圖六、NTT氣體噴射觸覺回饋裝置示意圖

圖片來源：US 8239145 B2

2013年，美國的Disney Research公司利用一個可以靈活轉向的噴嘴製造出氣體漩渦(air vortex)，讓噴嘴前方的手掌可以在空中感受到虛擬的3D形體，並將此技術命名為AIREAL(圖七)，此技術產生的觸覺回饋會有角度範圍及距離解析度的限制。詳細的技術內容可以參見發表於美國計算機協會計算機圖形專業組(ACM SIGGRAPH)年度會議的論文"AIREAL: Interactive Tactile Experiences in Free Air"。

圖七、(左)AIREAL噴嘴射出的氣體漩渦，(右)數個AIREAL裝置產生觸覺回饋

圖片來源：http://www.disneyresearch.com/project/aireal/

在2010~2013年間，以超音波聲輻射力(acoustic radiation force)產生較為精確觸感的研究成果陸續出現。聲輻射力會在皮膚上引發剪力波(shear wave)，產生移動的感覺，也同時觸發皮膚內的機械性刺激感受器(mechanoreceptor)，讓觸感更為明確。

以日本的Takayuki Hoshi教授等人發表於IEEE的研究論文"Noncontact Tactile Display Based on Radiation Pressure of Airborne Ultrasound"為例，該研究團隊已經利用超音波聲輻射力成功的在空間中製造出直徑20mm，而且是可以明確感觸到「點」的觸感技術，甚至手掌還可以清楚辨識出「點」的移動位置(圖八)。

圖八、聚焦點觸感測試，聚焦點由中心的白點向外圍八個黑點移動

圖片來源：IEEE TRANSACTIONS ON HAPTICS, VOL. 3, JULY-SEPTEMBER 2010 p.162

實現凌空「點」的觸感之後，下一步當然是朝向凌空3D立體形態的觸感去研發。

目前最受矚目的可觸摸空中立體圖形技術，是由英國的布里斯托大學(University of Bristol)所研發的，其詳細原理及演算法可參閱該校於2014年底在電腦機械學會圖形紀錄期刊(ACM Transactions on Graphics)所發表的論文"Rendering Volumetric Haptic Shapes in Mid-air Using Ultrasound"。

布里斯托大學的研究小組認為，以氣體噴射(air jet)的方式產生的空中觸感，其精確度不易控制；以氣體漩渦(air vortex)的方式產生的空中觸感，則會因為模擬的面積較大，真實感的程度就變得較低；以超音波聲輻射力(acoustic radiation force)在空中產生的觸感則是最為明確的，非常適合製造可觸摸的空中3D立體圖形。

圖九為產生立體觸覺回饋圖形的系統示意圖，由320個壓電傳感器(piezoelectric transducer)所組成的傳感器陣列負責送出聚焦超音波，手部追蹤器負責偵測手與虛擬物之間的互動關係，藉此偵測結果決定出超音波在空中聚焦的位置及觸覺回饋圖形。如果以聚焦超音波產生複雜的圖像，甚至可以看見因空氣擾動而形成的漂浮3D圖形(圖十)。

圖九、產生3D觸覺回饋圖形的系統示意圖


圖片來源："Rendering Volumetric Haptic Shapes in Mid-air Using Ultrasound"

圖十、漂浮3D圖形

圖片來源：http://research-information.bristol.ac.uk/files/34174464/pub_shotV2.jpg

雖然該技術目前只能在實驗室環境下運行，但其最終目標仍是要實現商業應用，
像是嵌入到各種不同的產品之中，例如家用電器、汽車等等。試想一下，
當你在開車時想要聽音樂，你將不再需要轉移目光到操控面板上，只要將手懸浮
於特定區域，就可以感觸到超音波投射出的操控鍵(圖十一)，不但方便而且也提
升了行車的安全性。

圖十一、超音波投射出的凌空觸控面板

圖片來源："Rendering Volumetric Haptic Shapes in Mid-air Using Ultrasound"

擬真性與精確度大幅提升的超音波觸覺技術，不論是接觸式還是凌空式，不但提供了操控裝置的方便性，也更加豐富了我們的感官感受，全新的人機互動模式正在演化，相關應用搭配的軟硬體商機已經浮現，您準備好跟上這波趨勢了嗎？

參考資料

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Haptic_technology
2. http://www.digitimes.com.tw/tw/...
3. http://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2014/0224-01.html
4. Patent Application Publication US 2014/0347322
5. Patent US 8239145 B2
6. "AIREAL: Interactive Tactile Experiences in Free Air" by Rajinder Sodhi et al.
7. "Noncontact Tactile Display Based on Radiation Pressure of Airborne Ultrasound"
   by Takayuki Hoshi et al.
8. "Rendering Volumetric Haptic Shapes in Mid-air Using Ultrasound" by Benjamin Long et al.

作者： 謝錦星 現任： 北美智權教育訓練處 研發創新顧問 經歷: 友順科技股份有限公司 技術行銷資深工程師 合邦電子股份有限公司 類比IC技術經理 盛群半導體股份有限公司 ASIC設計工程師 普誠科技股份有限公司 數位IC設計工程師 學歷: 美國紐約州立大學電機工程碩士 專長： 類比IC設計、半導體製程

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