数字技术研究

数字技术研究(世哲手册)

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第21章 物质计算:将技术融入物质世界

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引 言

触屏界面研究是一个不断发展壮大的研究领域，主要研究人的触觉以及通过触碰与环境产生的交互。触觉一词可以定义为“以皮肤、肌肉、关节及筋腱为基础的感觉与运动活动”(ISO,2011244：1)。触屏界面的创造取决于对人体及人体感受触觉与动觉的能力的深刻认识。触觉在我们与世界的日常交互中是至关重要的。比如，当我们从口袋或包里寻找一个物品而不去看它时，主要就是靠触觉。虽然触觉模态是极其丰富的双向信息渠道，但与听觉和视觉模态相比，当前的交互系统中对触觉的使用率相对较低。比如，从交互设计来看，大量系统已不再使用机械按钮、开关或其他部件，而是采用触屏插件。可惜的是，这种转换中却丢失了一个重要特性：这些插件无法提供碰触或敲击物理对象时的那种触觉反应。给用户界面增加触觉反馈，我们就可以重新创造掀按钮、握球的物理感觉，甚至创造全新的触觉感受。

图22.1显示了符合“触觉”定义的几个子类。人的触觉可以分为两个独立的渠道。肌肉运动知觉包括通过肌肉与筋腱感受到的位置、速度、力量和约束。力量反馈设备利用了肌肉运动知觉，用电脑控制的力量来创造一种与刚性路面接触的假象(Burdea，1996)。皮肤知觉是指通过直接接触感受到的皮肤表面刺激。皮肤刺激可进一步划分为压力感、拉伸感、振动感和温度感。

第22 章 触屏界面

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皮肤信息传输概念产生已有几十年历史。1960年，格尔达德(Geldard)写道：“皮肤为眼睛和耳朵提供了有价值的信息补充”(1960：1583)。皮肤提供了大面积的展示空间，可用于呈现信息。由于皮肤不像眼睛和耳朵那样执行其他任务，因而可随时接收信息(vanVeen andvan Erp，2000)。在交互系统中使用触觉的肌肉运动属性的想法在过去几十年的文献中也有记载。该领域最早的工作实例是斯通(Stone)在梳理触觉反馈历史(Stone,2000)时描述的由莫舍(Mosher)创造的“勤杂工”。这位勤杂工有两个电动液压手臂，工作起来就像一种外骨骼。

近来的技术进步使人们有机会用触觉模态提升交互系统。触觉反馈已普遍存在于许多游戏手柄与手机铃声中，而且这种交互模态在许多其他不同的应用领域也有潜在价值，包括手机、桌面触屏界面、医学训练模拟器、康复系统、访问接口、机器人及表演互动。

本章的剩余部分将细致分析对研究产生影响的触觉界面的多个层面。下一节将简要概述精神物理学及人类触觉感知能力方面的研究。之后的一节，我们将介绍当前可用的各类触觉执行器，随后概述触觉界面设计过程。最后一节将回顾该领域近来的最新研究，重点关注各个应用领域，从移动触屏解决方案、多点触控问题，到表现情感的触觉工具的使用。本章最后将概述触觉界面设计领域的一些关键性研究难点。

触觉感知简介

设计触觉界面之前，我们必须了解人类处理触觉刺激的能力。本节我们将首先对触觉进行概述，接着介绍历史文献中有关不同触觉参数感知的研究结果，并从中得出其对于触觉界面设计的意义。

人的触觉有几个关键特征，使其特别适用于交互系统。比如，我们的触觉感受是双向的，因为我们可以通过碰触感知信息，并予以执行(KlatzkyandLederman，2002)。从界面设计的角度来讲，这意味着可以将碰触设计为输入/输出工具。触觉感知既可以是主动的，也可以是被动的(Gibson，1966)。积极的触觉感知是指有意去摸索某个物体。但对这些物体的感知也可以是被动的，也就是说，让某个物体移过或摩擦过我们的皮肤。比如，当电话铃声响起时，手机内部的触感式制动器会发出机械式的被动反馈。

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我们的触觉有可能成为数字交互中最有用的一种输入/输出工具。皮肤区域的面积可以有1.8平方米，密度达1250千克/立方米，总重达5千克(SherrickandCholewiak，1986)，这意味着有大面积可用于交互的触觉界面。皮肤可分为光洁皮肤(即没有毛发)与带毛发皮肤：光洁皮肤主要是在脚底与掌侧面；剩下的即为有毛发的皮肤，全身各处都是(Cholewiak and Craig，1984)。以指尖为例，有四类能起机械性刺激感受作用的纤维：触觉小体、默克尔细胞、环层小体和鲁菲尼氏小体。根据坎德尔和杰塞尔(KandelandJessell,1991)的研究，触觉小体与默克尔细胞能感应碰触，环层小体可感应振动，而鲁菲尼氏小体可应对皮肤的快速压痕。这意味着我们的指尖可用于感受各类触觉刺激，从纹理到二维物体，从简单的振动到压力。下一节，我们会概述针对这些知觉的具体设计参数。

皮肤知觉

下面我们将详细阐述触觉的皮肤刺激方面的几个维度或特性。这些内容对于触觉界面设计者来讲非常重要，因为其有助于引导不同感觉的创造。比如，触觉界面必须包括某些特别容易被注意到的强烈感觉，了解与触觉相关的属性能帮助设计者选择最适当的反馈。以使用UltraCane系统（www.ultracane.com)为有视力障碍者导航为例，用户所在道路上的任何障碍物的触觉信息都非常重要，都需要清晰辨别出来。下面即将介绍的心理物理学领域的相关研究表明，作用于指尖的250赫兹方波能恰当地提醒障碍物的存在。

频率

皮肤能感知从 10 赫兹到 400 赫兹的频率(Summers et al.，1994)，在 250赫兹左右是最敏感、最容易辨别空间的频率(Craig and Sherrick,1982)。对频率鉴别阈值的测量是存在问题的，因为对振动程度的感知不仅取决于频率，而且也取决于刺激的幅度。吉尔达德(Geldard,1957)发现，在频率固定而刺激幅度发生改变时，人们能感觉到刺激程度的变化。因而，在设计刺激物时，应当考虑到频率与幅度间的这种相互作用。

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持续时间

持续时间是触觉模态的另一个重要维度。格舍伊德(Gescheider，见特尔哈特1974年的报道)测量了触觉模态下让人感觉有差异的指尖“敲击”所需的时间，结果发现最小阈值为10毫秒。巩特尔(Gunther et al.，2002)指出，少于0.1秒的刺激会被视作敲或刺，而超过这个持续时间的刺激则会被视为抚摸。

节 奏

节奏也是触觉反馈设计中非常重要且有用的元素。节奏一直被当作触觉图标设计中的主要参数；人们使用三种不同的节奏进行了测试，结果发现识别率可达90%以上(Brown et al.，2006)。研究指出，应该将音乐原理应用到时程模式的设计上来，而将节拍(速度)当作识别因子(Blattner et al.，1989)。

部 位

被认为对压力与刺激辨识最敏感的身体部位包括手指、手、胳膊、大腿及躯干(Cholewiak and Collins，1995)。在触觉图标研究中（Brown et al.2006)，人们使用了前臂的三个位置。而另一些研究表明，腹部、胳膊与后背是辨识度最高的身体部位(Chen et al.,2008; Cholewiak et al.,2004; Tan andPentland,1997)。

强 度

触觉中的强度检测多少有些局限，强度范围大概在检测阈之上的55分贝左右。超出该阈值的任何振动都会让人感觉不舒服，甚至感到疼痛(Verrilloand Gescheider，1992)。话虽如此，随时间发生的强度变化已被成功地应用于多个触觉显示屏中(MacLean and Enriquez,2003)。

纹 理

我们的触觉非常擅于检测不同的纹理。音乐创作研究表明，波形与触觉刺激物的“纹理”相关(Gunther et al.,2002)。恩里克斯和马克·利恩(Enriquezand Mac Lean,2008)对波形各异的九个触觉标识设计的识别率达到了73%。

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霍根和布鲁斯特(HogganandBrewster,2007)发现，方波可用于创造非常粗糙的感觉，而正弦波则平滑得多。

肌肉运动知觉

与皮肤知觉不同，有关肌肉运动知觉的研究非常困难，因为设计一种能够将皮肤感觉与肌肉运动知觉区分开来的研究方式是很困难的。我们的肌肉运动知觉使我们能够发现自己的肢体运动有多快、朝哪个方向运动。而且，一旦肢体停止运动，我们就能够发现其处于静止姿态(也就是大家所知道的本体感受)。肌肉运动知觉界面可以提供空间参照物，容许手势交互，也提供了虚拟物体给出的力量反馈。

我们触觉中的肌肉运动知觉由位于我们肌肉、筋腱与关节中的四类受体构成。正如黑尔与斯坦利(Hale andStanney，2004)在文章中详细论述的，关节内或关节附近有高尔基末梢与鲁菲尼氏小体，而高尔基腱器官，正如其名称所表明的，可见于腱与肌梭中。来自肌肉运动知觉受体的感觉信息，结合运动系统及认知系统中的可用信息，便产生了能感知到的肢体姿态与运动。肌肉运动知觉的感觉频带宽度为20～30赫兹，近端关节旋转比远端关节旋转更为敏感。人们往往是在动作产生之后，才感知到运动方向。因而，被动的肌肉运动知觉刺激必须包含足够的运动来指明其方向。

触觉执行器技术

将触觉界面发展局限于主流技术的一个最大因素是硬件。不过，可用的执行器类型的数量与质量一直在提高。本节我们将简要概述当前可用的执行器类型，其中包括典型的移动设备中的执行器，也包括人工肌肉等更加专门化的硬件。

线性执行器及旋转执行器

触感式致动器能提供持续的反馈，呈现许多不同的纹理与强度。多数振动触觉设备对皮肤的刺激是通过使用电磁执行器，以线性或旋转的方式来驱动质量块。多数移动电话包含有偏心旋转质量执行器(ERM)，如图22.2(a)所示。图22.2(b)展示的是EAI C2Tactor（www.eaiinfo.com)。这种线性旋转设备在250赫兹时能与其他频率的还原反应产生共振(这是频率作为触觉界面参数效用减弱的另一个原因）。振动触觉线索的好处在于其非常强烈(因而能够透过衣服被人感受到)，而且也可以分散到全身或整个设备，给出空间线索(往往附着于用户的腕带上)。要了解振动触觉设备的更详细回顾，可参见莫蒂默等人(Mortimer et al.,2007)的综述。

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