19歲那年，一種罕見的神經系統疾病奪去了Ian Waterman脖頸以下的全部觸覺和對肢體空間位置的感覺。Ian知道損壞的神經無法復原，因而只能繞過它們，尋找一種新方式控制自己。他窮盡所能觀察、記憶、練習每個動作應當如何觸發。普通人下意識就能自然完成的動作，對Ian來說，都離不開雙眼觀察和頭腦思索如何讓一系列指令精確執行。一年后，雖 然如木偶般踉蹌，雖然他總要低著頭觀察腳步的移動，但Ian終于又能站起來走路了。Ian對抗命運的故事寫進了《Pride and a Daily Marathon》這本書和紀錄片《The Man Who Lost His Body》中。

                                             

       而與Ian有著相似不幸遭遇的其他人，終生卻只能與輪椅為伴——你是否曾意識到，身處二維互聯網世界中的我們，在與機器交互的時候，其實并不比失去觸覺的人優越多少。

　　指尖交互的困境

　　當你每天用手指在手機、平板的玻璃屏幕點來劃去時，當許多人將未來的交互暢想為用手指在這些玻璃屏幕背后顯示的界面上、甚至是空中操作時，你可能已經忘卻了雙手是我們最靈活敏感的身體延伸。

                               

       我們的雙手既能感受巖石的鋒利堅硬，也能體會絲綢的飄逸輕柔，能分辨沙土的松散干燥，也能區別油水的濕潤粘稠。

　　敏感的觸覺讓我們能清楚知道書是否多翻過了一頁，即使在黑暗環境，我們也能只憑觸覺系好鞋帶，扣好襯衣紐扣，摸到鑰匙孔打開門鎖；然而在寒冷的冬日，當雙手不再自如靈活，你也許體會過縱使有雙眼的幫助，仍無法做好這些事。

　　然而當我們與“玻璃下的圖片”進行交互時，其實是以視覺作為反饋的唯一方式，正如同將麻醉劑注入雙手，指尖對所有界面的觸覺感受都別無二致—— 在這樣的二維加視覺式的交互中，我們浪費了造物主賦予的兩平米肌膚、兩百個關節與六百塊肌肉。而Haptics正是一門研究如何讓每個人的觸覺都能用于人 機交互的前沿學科。

何謂Haptics？

　　Haptics通過硬件與軟件結合的觸覺反饋機制，模擬人的真實觸覺體驗。由于人體感受機制復雜，對Haptics技術做清晰地分類并不容易，不過從感受輸入的角度，大致可以分為對表皮，以及對肌肉中感受器刺激兩類。

　　對普通人來說，前者其實并不陌生，手機上的“振動”就是一種表皮Haptics技術，不過許多人的誤解也源于此——認為Haptics等同于 “振動”。事實上這項技術遠非如此簡單，只是因為振動技術容易實現，而且商業化產品成熟低價。振動其實只是Haptics領域的很小一部分，在許多場景下 (例如按鍵反饋)，以振動作為觸覺反饋的效果都不夠好。

　　而與這兩類輸入對應的技術則五花八門，跨越的技術領域特別廣泛。這也要求Haptics研究者需要了解許多領域的知識。以振動反饋為例，不但要 從電子工程和機械學角度知道如何最有效地利用電能、設計原件結構，還需從心理學角度了解人體對哪些頻率的振動最為敏感。不過，這也是從事Haptics領 域研究的樂趣之一——尤其是對興趣廣泛的研究者來說。

　　生活中的諸多不便都可能藉由Haptics技術的引入得到解決。比如，人們在面對面交談時，一方看手表的動作往往會引發對方不適，倘若手表鏡面 應用了Haptics技術，只需手指輕輕一摸，便能知曉準確時間，這類生活中的窘境便迎刃而解。另外一個例子是網購：現實中，我們通過觸摸感受材料的質地 與紋理，網購則無法實現這一點，隨著Haptics技術的發展，如果平板電腦將來能模擬商品的真實紋理與質地，那么網購體驗將會有革命性的提升。

　　虛擬觸覺的“RGB三原色”

　　正如老話說，前景總是光明的，道路總是曲折的。Haptics是一個嶄新的領域，難在建立研究的基準。我們類比視覺領域的既有研究成果，嘗試將 紋理分解成幾個獨立變量。如同光的三原色一樣，我們認為粗糙度、粘滯度、柔軟度很可能是觸覺的三個基本維度。在理解它們后，怎樣用機器模擬，以不同比例混合，是否有可能根據它們定義所有的紋理呢？當前，Haptics的研究重點之一便是理解人們如何感受紋理。

　　粗糙度是我們研究最深，也是目前掌握最全面的技術，而粘滯度牽涉摩擦力，則相對難以實現。此外，由于三個維度往往分別單獨采用不同的技術實現，而在完成最終產品時，還要考慮三者是否能夠相互兼容，同時實現。

　　在微軟亞洲研究院，我們對如何在消費產品及可穿戴設備中應用Haptics技術的研究頗感興趣，并且已開發了多種Haptics設備原型，能實 現鍵盤的觸覺反饋、在玻璃觸屏上實現類似物理按鈕般的效果。以鍵盤為例，在對照實驗中，在擁有精確觸摸反饋的鍵盤上，其輸入速度和正確率都要高出單純利用 視覺反饋的鍵盤許多。而歸類來說，這些原型中使用的Haptics技術包含以下兩類。

      一類是利用壓電效應。將壓電彎曲元件置于觸摸表面之下，當它們受到高壓產生振動時，帶動表面也同時發生上下位移。 

       還可通過收縮表面，模擬按鍵咔嗒的感覺。其原理是將一塊大的壓電元件粘合在不銹鋼片上，因為不銹鋼片具有很強的面內剛度(in-plane stiffness)，通過向壓電元件施加高電壓，元件的收縮將引起不銹鋼片向一側凹陷，在指尖產生類似輕觸開關般的咔嗒體驗。我們還能以超聲波的頻率(20-40kHZ)振動觸摸表面，令一層薄薄的空氣附于其上，這層空氣能讓指尖與表面的接觸部分變得特別順滑。

　　另一類是靜電效應。在下面的示意圖中，玻璃屏幕之上還附著有兩層材料。紅色的是導電層(例如ITO導電玻璃)，其上是絕緣層。當電信號通過導電 層，手指皮膚中將產生極性相反的感應電荷，手指與屏幕的摩擦力將受到這些感應電荷相互作用力的影響。這些額外的作用力微小，我們只能體會到摩擦力發生了改 變，卻并不能單獨感受到它們的存在。配合對手指位置的精確感知，以及相應位置電信號強度的變化，將讓我們產生接觸表面的粗糙程度發生了改變的錯覺。

　　由此也可見，Haptics是一種交互，不僅與“顯示”有關，還與動作捕捉及感應緊密關聯。在意識到這一點之后，最近有一些技術展示，實現了極高的位置分辨率，進而能顯示非常細膩的紋理，實現燈芯絨般的手感。

　　從鮮為人知的術語，到被寄予希望的未來技術，Haptics正逐漸走向我們的日常工作和生活。Amara法則說，我們常常高估科技的短期影響 力，而又低估其長期影響力。在互聯網世界逐漸三維化，并越來越和現實世界水乳 交融的過程里，人和機器的交互界面將不再受限于玻璃平面之下的二維世界法則， 會變得跟現實世界一樣細膩豐富。要讓夢想更快地實現，還有賴于研究者們更多的關注和科研突破。

關于作者

       張虹(Hong Zhang)現任微軟亞洲研究院高級研究員與人機交互組的經理。她目前也是美國普渡大學電子與計算機工程學院教授，機械工程學院客座教授，心理科學系客座教 授。她在美國麻省理工學院(MIT)獲得碩士和博士學位；在上海交通大學獲得學士學位。她曾擔任美國麻省理工學院媒體實驗室的研究員(Research Scientist at MIT Media Lab)；曾獲得McDonnell Visiting Fellowship 在英國牛津大學訪問；作為 Visiting Associate Professor 在美國斯坦福大學計算機系訪問和工作；并曾是上海交通大學生命科學與技術研究所的客座研究員。她在基于觸摸的人機界面以及觸摸感知技術的研究領域享有盛譽，已經發表一百多篇具有廣泛影響的學術論文，并在多個國際學術期刊編委會中擔任重要職務。