由： 威廉·哈里斯

　　三星Anycall触觉。查看更多 手机图片.

　　礼貌 三星如果你认为 苹果苹果手机 太棒了，然后在三星的这款手机上大饱眼福 - 和手指。这款手机被称为Anycall Haptic，具有大型 触摸屏 就像iPhone一样显示。但它至少在目前对苹果的革命性小工具做得更好：它使用户能够感受到点击、振动和其他触觉输入。总之，它为用户提供了22种触摸感觉。

　　这些感觉解释了名称中使用触觉一词的原因。触觉来自希腊语“haptesthai”，意思是触摸。作为形容词，它的意思是与触觉有关或基于触觉。作为一个名词，通常以复数形式(触觉)使用，它的意思是触觉的科学和生理学。科学家们已经研究了几十年的触觉，他们对触觉的生物学了解很多。例如，他们知道皮肤中有哪些受体，以及神经如何在中枢神经系统和接触点之间来回传递信息。

　　不幸的是，计算机科学家很难将这种对触摸的基本理解转移到他们的 虚拟现实 系统。视觉和听觉线索很容易在计算机生成的模型中复制，但触觉线索的问题更大。几乎不可能让用户通过典型的界面感受到计算机头脑中发生的事情。确定 键盘 允许用户输入单词，以及 操纵 杆 方向盘可以振动。但是，用户如何触摸虚拟世界中的内容呢?例如，视频游戏玩家如何感受到他或她的角色武器的坚硬冰冷的钢铁?在计算机模拟器中训练的宇航员如何感受到虚拟月球岩石的重量和粗糙质地?

　　自 1980 年代以来，计算机科学家一直在试图回答这些问题。他们的领域是触觉学的一个专门子集，称为 计算机触觉.在接下来的几页中，我们将通过以下方式介绍触觉技术的工作原理：

　　将计算机触觉与触觉研究的相关领域联系起来

　　表征逼真的虚拟触摸所需的触觉反馈类型

　　检查正在开发中或目前在市场上可用的触觉系统

　　探索当前和潜在的应用

　　当然，触觉学的美好未来在很大程度上归功于它的历史。在下一节中，我们将研究这段历史，以了解计算机触觉属于触觉研究的连续统一体。

　　触觉连续体

　　HIRO是一种触觉界面机器人，在2005年日本世界博览会的原型机器人展览会上帮助用户感受恐龙。

　　木村顺子/盖蒂图片社作为一个研究领域，触觉与自动化的兴起和发展密切相关。在工业革命之前，科学家们专注于生物如何体验触摸。生物学家了解到，即使是简单的生物，如 水母 和蠕虫，拥有复杂的触摸反应。在20世纪初，心理学家和医学研究人员积极研究人类如何体验触摸。恰如其分地，这个科学分支被称为 人类触觉，它揭示了人类的手，与触觉相关的主要结构，非常复杂。

　　这只手有 27 块骨头和 40 块肌肉，包括位于前臂的肌肉，可提供极大的灵活性。科学家使用一种称为 自由度.自由度是由单个关节提供的运动。因为人的手包含 22 个关节，所以它允许以 22 个自由度运动。覆盖手部的皮肤也富含受体和神经，这些是神经系统的组成部分，可将触摸感觉传达给 脑 和脊髓。

　　然后是机器和机器人的发展。这些机械设备还必须触摸和感受它们的环境，因此研究人员开始研究如何将这种感觉转移到机器上。时代 机器触觉 已经开始了。最早允许与远程物体进行触觉交互的机器是放置在杆子末端的简单杠杆和电缆驱动的钳子。通过移动、定向和挤压手枪握把，工人可以远程控制钳子，钳子可用于抓取、移动和操纵物体。

　　在1940年代，这些相对粗糙的远程操纵系统得到了改进，以服务于核材料和危险材料工业。通过机器接口，工人可以操纵有毒和危险物质，而不会有暴露的风险。最终，科学家们开发出了取代机械连接的设计 电机 和电子信号。这使得将微妙的手部动作传达给远程操纵器比以往任何时候都更有效。

　　下一个重大进步以电子计算机的形式出现。起初，计算机用于在真实环境中控制机器(想想在汽车装配厂控制工厂机器人的计算机)。但到了1980年代，计算机可以生成虚拟环境——用户可以进入的3D世界。在这些早期的虚拟环境中，用户只能通过视觉和声音接收刺激。与模拟对象的触觉交互多年来仍然受到限制。

　　然后，在1993年，麻省理工学院(MIT)的人工智能实验室构建了一种提供触觉刺激的设备，最终使触摸和感受计算机生成的物体成为可能。参与该项目的科学家开始将他们的研究领域描述为计算机触觉，以将其与机器和人类触觉区分开来。今天，计算机触觉被定义为渲染虚拟对象的触感和感觉所需的系统——包括硬件和软件。这是一个快速发展的领域，正在产生许多有前途的触觉技术。

　　在我们更详细地研究其中一些技术之前，让我们看看触觉系统必须提供哪些类型的触摸感觉才能成功。

　　触觉反馈的类型

　　虽然许多视频游戏玩家可能不知道触觉技术的名字，但他们可能知道什么是力反馈 - 它已经在游戏控制器上按名称销售多年。

　　©2008 HOWSTUFFWORKS当我们用双手探索周围的世界时，我们会收到两种类型的反馈—— 动觉 和 触觉的.要理解两者之间的区别，请考虑伸手，捡起并探索棒球的手。当手伸向球并调整其形状以抓握时，会生成一组描述关节角度、肌肉长度和张力的独特数据点。这些信息由嵌入肌肉、肌腱和关节的一组专门的受体收集。

　　被称为 本体感受器，这些受体将信号传递到大脑，在那里它们被大脑皮层的躯体感觉区域处理。这 肌肉纺锤体 是一种类型的本体感受器，提供有关肌肉长度变化的信息。这 高尔基体肌腱器官 是另一种类型的本体感受器，提供有关肌肉张力变化的信息。大脑处理这些动觉信息，以提供棒球的总大小和形状，以及它相对于手、手臂和身体的位置。

　　当手指接触球时，指垫和球表面之间发生接触。每个指垫都是一个复杂的感觉结构，在皮肤和底层组织中都包含受体。这些受体有许多类型，每种类型的刺激都有一个：轻触，重触，压力，振动和疼痛。来自这些受体的集体数据有助于大脑理解球的微妙触觉细节。当手指探索时，他们会感觉到皮革的光滑质地，鞋带的凸起粗糙度以及球的硬度。甚至球的热特性也是通过触觉感受器感知的。

　　力反馈 是一个通常用于描述触觉和/或动觉反馈的术语。正如我们的棒球示例所示，力反馈非常复杂。然而，如果一个人要以任何保真度感受虚拟物体，力反馈正是这个人必须接收的信息。计算机科学家开始研究触觉界面设备，这些设备允许用户通过力反馈来感受虚拟物体。早期的尝试没有成功。但正如我们将在下一节中看到的那样，新一代触觉接口设备正在提供无与伦比的性能、保真度和易用性。

　　触觉系统

　　Omni，Sensable® Technologies的PHANTOM系列中的入门级设备

　　礼貌 明智的技术有几种方法可以创建触觉系统。尽管它们看起来可能大不相同，但它们都有两个重要的共同点 - 用于确定用户虚拟身份与对象交互时产生的力的软件，以及可以通过这些力应用于用户的设备。软件用于执行其计算的实际过程称为 触觉渲染.一种常见的渲染方法使用多面体模型来表示虚拟世界中的对象。这些 3D 模型可以准确地描绘各种形状，并可以通过评估力线如何与物体的各个面相互作用来计算触摸数据。这种3D物体可以感觉坚固，并且可以具有表面纹理。

　　向用户传达触觉图像的工作落在接口设备上。在许多方面，接口设备类似于鼠标，不同之处在于鼠标是无法向用户传达任何合成触觉数据的被动设备。让我们看一些特定的触觉系统，以了解这些设备的工作原理。

　　Sensable Technologies的PHANTOM®接口是首批商业化销售的触觉系统之一。它的成功在于它的简单性。这种触觉设备不是试图显示来自许多不同点的信息，而是模拟单个接触点的触摸。它通过连接到灯状臂的手写笔来实现这一点。三个小型电机通过对测针施加压力向用户提供力反馈。因此，用户可以感受到虚拟气球的弹性或砖墙的坚固性。他或她还可以感觉到质地、温度和重量。 手写笔可以定制，使其几乎与任何对象非常相似。例如，它可以安装注射器附件，以模拟注射时刺穿皮肤和肌肉的感觉。

　　CyberGrasp系统是Immersion Corporation的另一个商用触觉界面，采用了不同的方法。该设备像 外骨骼 并为每个手指添加电阻力反馈。五个致动器产生力，这些力沿着连接指尖和外骨骼的肌腱传递。使用CyberGrasp系统，用户能够感受到仅存在于计算机生成的世界中的虚拟对象的大小和形状。为了确保用户的手指不会穿透或压碎虚拟的固体物体，可以单独编程执行器以匹配物体的物理特性。

　　卡内基梅隆大学的研究人员正在试验一种不依赖于致动连杆或电缆设备的触觉界面。相反，他们的界面使用强大的电磁铁来悬浮一个看起来有点像操纵杆的手柄。用户操作悬浮工具手柄以与计算环境进行交互。当她移动和旋转手柄时，她可以感受到模拟物体的运动、形状、阻力和表面纹理。这是基于悬浮的技术的一大优势：它减少了摩擦和其他干扰，因此用户可以减少分心并保持沉浸在虚拟环境中。它还允许在六个自由度下进行受限运动(与入门级Phantom接口相比，它只允许三个活动自由度)。 磁悬浮触觉接口的一个缺点是它的占地面积。需要整个机柜来容纳磁悬浮装置， 电源、放大器和控制处理器。用户手柄从嵌入机柜顶部的碗中伸出。

　　可以想象，像我们在这里描述的系统可能非常昂贵。这意味着该技术的应用仍然局限于某些行业和专业类型的培训。在下一页，我们将探讨触觉技术的一些应用。

　　触觉技术的应用

　　想出应用触觉的方法并不难。视频游戏制造商一直是被动触觉的早期采用者，它利用振动操纵杆、控制器和方向盘来加强屏幕上的活动。但未来的视频游戏将使玩家能够感受和操纵虚拟固体、液体、工具和化身。Novint Falcon触觉控制器已经将这一承诺变为现实。3-D 力反馈控制器可让您分辨手枪报告和霰弹枪爆炸之间的区别，或者在拉回箭头时感受长弓弦的阻力。

　　图形用户界面，如定义Windows和Mac操作环境的用户界面，也将从触觉交互中受益匪浅。想象一下，当您按下按钮时，能够感觉到图形按钮并接收力反馈。一些触摸屏制造商已经在尝试这项技术。诺基亚手机设计师已经完善了触觉触摸屏，使屏幕上的按钮表现得好像它们是真正的按钮一样。当用户按下按钮时，他或她会感觉到移入和移出。他还听到了咔哒声。诺基亚工程师通过在屏幕下方放置两个小型压电传感器垫并设计屏幕来实现这一点，使其在按下时可以稍微移动。所有内容 - 运动和声音 - 都完美同步，以模拟真实的按钮操作。

　　尽管有几家公司正在加入Novint和诺基亚的行列，推动将触觉界面纳入主流产品，但成本仍然是一个障碍。最先进的触摸技术存在于工业、军事和医疗应用中。触觉训练正变得越来越普遍。例如，医学生现在可以在计算机上完善精细的手术技术，感受在吻合中缝合血管或将肉毒杆菌毒素注射到虚拟面部的肌肉组织中的感觉。飞机机械师可以使用复杂的零件和服务程序，触摸他们在 电脑屏幕.士兵可以通过多种方式为战斗做准备，从学习如何拆除炸弹到在虚拟战斗场景中操作直升机、坦克或战斗机。

　　触觉技术也广泛用于远程操作或远程机器人。在远程机器人系统中，人类操作员控制距离一定距离的机器人的运动。一些遥控机器人仅限于非常简单的任务，例如瞄准 照相机 并发回视觉图像。在一种称为远程呈现的更复杂的远程操作形式中，人类操作员有一种位于机器人环境中的感觉。触觉现在可以在网真模型中除了音频和视觉提示之外，还包括触摸提示。不久之后，天文学家和行星科学家就会通过先进的触觉遥控机器人(一种火星探测漫游车的高触觉版本)真正握住和操纵火星岩石。

　　在下一页中，我们将看看触觉技术的重要性如何增加，并在某些应用中变得必不可少。

　　帮助盲人感受城市

　　希腊的计算机科学家正在将触觉技术整合到盲人的可触摸地图中。为了创建地图，研究人员拍摄真实世界位置的视频，可以是建筑物的建筑模型，也可以是城市街区。软件逐帧评估视频，以确定每个物体的形状和位置。数据生成每个结构的力场三维网格。使用触觉界面设备，盲人可以感受到这些力量，并结合音频提示，更好地感受城市或建筑物的布局。

　　触觉技术的重要性

　　在 电子游戏，添加触觉功能很好。它增加了游戏的真实性，从而提高了用户的满意度。但在训练和其他应用中，触觉界面至关重要。这是因为触觉传达了有关物体的丰富而详细的信息。当它与其他感官，尤其是视觉相结合时，触觉会大大增加发送到大脑进行处理的信息量。信息的增加减少了用户错误以及完成任务所需的时间。它还降低了远程操作情况下使用的能耗和接触力的大小。

　　显然，三星希望通过推出Anycall Haptic手机来利用其中的一些好处。诺基亚在推出具有触觉触摸屏的手机时将进一步推动信封。是的，这样的手机看起来很酷。而且，是的，触摸起来会很酷。但它们也将更易于使用，基于触摸的功能可以减少输入错误，并提供更令人满意的整体体验。

　　如果您想了解有关触觉和相关技术的更多信息，请查看下一页上的链接。

　　触觉学习：下一代动手实践

　　如今，教师经常被要求评估学生的 学习风格 因此，他们可以相应地调整教学方法。学习风格是一个人学习最好的方式。虽然有很多学习风格模型，但流行的模型是基于感官输入的。在此模型中，有三种基本的学习方式： 听觉的, 视觉 和 动觉.大多数学生通过这三种模式中的一种学习效果最好，尽管有些是多模式的，这意味着他们有不止一种强烈的学习偏好。

　　研究表明，即使是听觉和视觉学习者也能从涉及触觉的活动中受益匪浅。在一项研究中，初中和高中学生在使用触觉学习技术时对科学产生了更积极的态度，并对关键概念有了更深入的理解。基于这项研究和类似的研究，科学教师尤其被触觉所吸引。许多人正在使用该技术来帮助学生与物体互动，例如病毒或纳米颗粒，否则这些物体太小而无法触摸或看到。其他人则使他们的学生能够探测细胞的3D渲染。还有一些人正在使用触觉反馈设备来更全面地教学生关于重力和摩擦等无形力的知识。