触觉技术的工作原理

在2005年日本世界博览会的原型机器人展上，一款触觉界面机器人HIRO帮助用户感受恐龙。

Junko木/盖蒂图片社

作为一个研究领域，触觉学与自动化的兴起和发展密切相关。在工业革命之前，科学家们关注的是生物是如何体验触觉的。生物学家发现，即使是简单的生物，如水母和蠕虫，拥有复杂的触感反应。在20世纪初的部分，心理学家和医学研究人员积极研究人类如何触感。如此，这种科学分支被称为人类的触觉并且透露，人手，与触摸感相关的主要结构，非常复杂。

手有27块骨头和40块肌肉，包括前臂的肌肉，提供了巨大的灵活性。科学家们用一个叫做自由程度. 自由度是由单个关节提供的运动。因为人手包含22个关节，所以它允许22个自由度的运动。手上的皮肤也富含受体和神经，它们是神经系统的组成部分，可以将触觉传递给人大脑和脊髓。

然后是机器和机器人的发展。这些机械设备也必须接触和感受它们周围的环境，所以研究人员开始研究这种感觉如何转移到机器上。的时代机械触觉已经开始了。允许与远程物体的触觉交互的最早的机器是简单的杠杆和电缆致动钳子放置在杆的末端。通过移动，定向和挤压手枪握把，工人可以远程控制钳子，可用于抓住，移动和操纵物体。

在20世纪40年代，这些相对粗糙的远程操作系统得到了改进，以服务于核工业和危险材料工业。通过一个机器接口，工人可以操作有毒和危险的物质，而不会有暴露的风险。最终，科学家们开发了一种设计，取代了机械连接电机和电子信号。这使得我们能够比以往任何时候都更有效地将微妙的手部动作传达给远程操作人员。

下一个重大进步是以电子计算机的形式出现的。起初，计算机被用于在真实环境中控制机器(想想在汽车装配厂中控制机器人的计算机)。但到了20世纪80年代，计算机可以生成虚拟环境——用户可以置身其中的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在未来许多年内仍将受到限制。

1993年，麻省理工学院（MIT）的人工智能实验室构建了一种能够提供触觉刺激的设备，最终使触摸和感觉计算机生成的对象成为可能。从事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。如今，计算机触觉被定义为所需的系统——包括硬件和软件——呈现虚拟对象的触摸和感觉。这是一个快速发展的领域，产生了许多有前途的触觉技术。

在我们更详细地查看这些技术的一些技术之前，让我们来看看触摸感觉的类型，触觉系统必须提供成功。

尽管许多电子游戏玩家可能不知道触觉技术的名字，但他们可能知道Force Feedback是什么——它已经在游戏控制器上以这个名字出现多年了。

©2008 HowStuffWorks

当我们用手去探索周围的世界时，我们会收到两种反馈——动觉和触．为了理解两者之间的区别，考虑一只手，它伸手，拿起并探索一个棒球．当手接触到球并调整其形状以抓住球时，就会生成一组描述关节角度、肌肉长度和张力的独特数据点。这些信息是由嵌入肌肉、肌腱和关节的一组特殊受体收集的。

被称为本体感受器，这些受体将信号传送到大脑，大脑皮层的体感区对其进行处理。这个肌肉主轴是一种类型的预丙基维因子，可提供有关肌肉长度变化的信息。这高尔基腱器官是另一种本体感受器，它提供肌肉张力变化的信息。大脑处理这些动觉信息来提供棒球的总体大小和形状，以及它相对于手、手臂和身体的位置。

当手指触摸球时，在手指垫和球面之间触点。每个指针是含有皮肤和底层组织中的受体的复杂感觉结构。这些受体有很多类型的这些受体，每种类型的刺激剂：轻触，重触感，压力，振动和疼痛。从这些受体中集体的数据有助于大脑理解有关球的微妙触觉细节。随着手指探索，它们感觉到皮革的更平滑，鞋带的凸起粗糙度和作为力的球的硬度。甚至通过触觉受体感测球的热性质。

力反馈是一个经常用于描述触觉和/或动力反馈的术语。随着我们的棒球示例说明，强制反馈非常复杂。然而，如果一个人是患有任何忠诚的虚拟对象，那么强制反馈正是该人必须收到的信息。计算机科学家开始研究设备 - 触觉接口设备 - 这将允许用户通过强制反馈感受虚拟对象。早期尝试并没有成功。但正如我们将在下一节看到的那样，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。

Omni®，SensAble Technologies幻影系列中的入门级设备

礼貌理智的技术

有几种方法可以创建触觉系统。尽管它们看起来可能截然不同，但它们都有两个重要的共同点——确定用户虚拟身份与物体交互时产生的作用力的软件，以及可以将这些作用力施加到用户身上的设备。软件用来执行其计算的实际过程被调用触觉渲染．通用渲染方法使用多面体模型来表示虚拟世界中的对象。这些3-D模型可以准确地描绘各种形状，并且可以通过评估力线与对象的各个面进行交互来计算触摸数据。可以使这种3-D对象感到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了界面设备上。在许多方面，接口设备类似于鼠标，除了鼠标是一个被动设备，不能向用户传递任何合成的触觉数据。让我们看看一些特定的触觉系统来理解这些设备是如何工作的。

可以想象，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门类型的培训。在下一页，我们将探索一些触觉技术的应用。

想办法应用触觉学并不难。视频游戏制造商是被动触觉技术的早期使用者，这种技术利用振动操纵杆、控制器和方向盘来加强屏幕上的活动。但未来的电子游戏将使玩家能够感受到并操纵虚拟的固体、流体、工具和虚拟角色。Novint Falcon触觉控制器已经实现了这一承诺。3-D力反馈控制器可以让你分辨手枪报告和霰弹枪爆炸的区别，或者在你拉箭时感受长弓弦的阻力。

图形用户界面，比如那些定义Windows和Mac操作环境的界面，也将从触觉交互中受益匪浅。想象一下，当你按下一个按钮时，你能够感受到图形按钮并收到力量反馈。一些触摸屏制造商已经在试验这项技术。诺基亚手机设计师完美地设计了触屏，让屏幕上的按钮看起来就像真的按钮一样。当用户按下按钮时，他或她会感觉到移动。他还听到了一声咔嗒声。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，使其在按下时可以轻微移动，实现了这一点。所有内容(游戏邦注:包括动作和声音)都能够完美地同步，从而模拟真正的按键操作。

尽管有几家公司加入了Novint和诺基亚的行列，努力将触觉界面融入主流产品，但成本仍然是一个障碍。最尖端的触控技术主要应用于工业、军事和医疗领域。触觉训练变得越来越普遍。例如，医学院的学生现在可以在电脑上完善精密的手术技术，感受缝合血管的吻合术或在虚拟面部的肌肉组织中注射肉毒杆菌素的感觉。飞机机械师可以处理复杂的零件和维修程序，触摸他们在飞机上看到的一切电脑屏幕．士兵们可以通过各种方式为战斗做准备，从学习如何拆除地雷炸弹经营直升机，坦克或战斗机在虚拟战斗场景。

触觉技术也广泛应用于遥操作或遥操作机器人。在遥控机器人系统中，操作者控制机器人的运动机器人它位于一段距离之外。一些遥控机器人被限制在非常简单的任务上，比如瞄准相机以及发送视觉图像。在一种更为复杂的遥操作形式中，称为“临场感”，人类操作员有一种被定位在机器人环境中的感觉。触觉现在可以在临场感模型中除了音频和视频提示之外，还包括触觉提示。不久天文学家和行星科学家就会发现通过先进的触觉遥控机器人——火星探测车的高触感版本——来控制和操纵火星岩石。

在下一页，我们将看看触觉技术是如何获得它的重要性，并在一些应用中变得必不可少。

在视频游戏在美国，增加触觉功能是件好事。它提高了游戏的真实感，从而提高了用户的满意度。但在培训和其他应用中，触觉界面至关重要。这是因为触觉传达了一个物体丰富而详细的信息。当它与其他感官，尤其是视觉相结合时，触觉会极大地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。它还减少了能量消耗和远程操作环境中使用的接触力的大小。

显然，三星希望通过引入任何触觉手机来利用其中一些好处。诺基亚将在引入带有触觉触摸屏的手机时，将信封甚至更远。是的，这些手机会很酷。而且，是的，他们会很酷的触摸。但是，它们也将更容易使用，基于触摸的功能导致输入错误和整体更令人满意的体验。

如果你想了解更多关于触觉和相关技术的知识，请看下一页的链接。