这就是“触觉”技术未来的样子

在斯皮尔伯格于2018年上映的电影《头号玩家》当中，人们能够进入一个名为“绿洲”的沉浸式虚拟现实世界。这部科幻电影中最令人瞩目的未来科技，并不是VR眼镜——因为其与目前Oculus、HTC以及其它公司所销售的相关头戴设备可谓相差无几。相反，其核心在于提供一种超越视觉与听觉的新感受：触觉。

▲ 电影《头号玩家》中角色佩戴的VR眼镜与反馈手套

其中的角色佩戴带有反馈机制的手套，使得他们能够感受到手中握持物体的触感。他们甚至可以升级为全身套装，从而再现从冲击到轻抚的一切外力作用。最重要的是，这一切距离全面实现，也许并不像我们想象中那么遥远。

我们一直都在依赖触摸——或者说“触觉”——信息与这个世界互动，整个过程甚至以一种无意识的方式进行。我们的皮肤、关节、肌肉以及器官中的神经会时刻提醒我们如何通过身体进行定位，我们握住的是怎样的东西，当前的天气如何，以及亲朋好友之间在拥抱时表达出的感情。在世界各地，工程师们正在努力为视频游戏等创造逼真的触觉体验。而通过在人机交互当中引入触觉，我们也有望进一步增强机器人控制、身体复健、教育、导航、通信甚至是在线购物的体验水平。

南加州大学计算机科学家Heather Culbertson表示：“过去，触觉技术一直专注于通过手机震动、手柄震动或者其它设备中的震动元件实现浅层次的人机交互。但现在，大家开始转向开发感觉上更为自然的解决方案，包括要求其更好地模拟天然材料且自然顺畅的反馈体验。”

未来不仅一片光明，而且质感细腻。

触觉设备可以分为三种主要类别：可抓握型、可穿戴型以及可触摸型。在抓握型设计方面，大家可以将其理解为类似于操纵杆的形式。其中一大明确应用在于机器人操作，操作人员可以借此感受到机器人在运动中承受着怎样的阻力。

以手术机器人为例，医生可以身处远程位置对其进行操作，亦可借此使用小巧的工具或在极小的空间内完成动作。已经有大量研究表明，在控制这些机器人时添加触觉反馈机制，能够显著提高准确性并减少组织损伤与手术时间。此外，触觉反馈机制的引入还使得医生能够直接通过虚拟现实环境对患者进行模拟手术训练，且在过程中获得与实际切割以及缝合相匹配的感觉。Culbertson的一名学生目前正在开发牙科模拟器，以便牙科学生对虚拟环境下的牙齿进行钻孔实验。

此外，通过触觉反馈理解操作中机器人所处的环境，也将有助于拆解炸弹或者从倒塌的建筑物中营救受影响人员，甚至在不适合太空街的场景下进行卫星修理。事实上，迪士尼公司正在研究触觉式远程呈现机器人，旨在实现更安全的人机交互体验。他们开发出一套具有气动管的系统，能够将人形机器人的机械臂与人类可以握持的一组映射臂对接起来。这意味着操作人员能够操纵映射臂下达指令，而实际机器人端则可借此实现拿起气球、拾起鸡蛋或者轻抚小朋友的面颊等动作。

在较小的规模之下，位于洛桑的瑞士联邦理工学院（简称EPFL）的机器人专家Jamie Paik在实验室当中开发出一种名为Foldaway的便携式触觉平台。其尺寸类似于一个方形的饮料托盘，设备中央带有三个能够弹出的铰接臂，并在中心位置彼此啮合。（实验室中的博士后Stefano Mintchev将其称为「小型折叠机器人」）。各手臂啮合部位设置有一个小小的塑料插槽，从而共同构成一个三维动作操纵杆——各手臂负责提供助力，使得用户感觉到就像在推动真实对象一样。在演示当中，团队利用该设备控制空中无人机，掠夺虚拟物体并感受虚拟环境下的人体解剖结构。

▲这种可供抓握的触觉设备被称为Foldaway。展开时其大小类似于一个饮料托盘，因此非常便于携带。用户可以将操纵杆旋转在三条铰接臂相交的位置，并经由其提供的阻力获得操纵物体的感觉。

但抓握式设计明显存在着某些无法克服的触觉还原能力挑战——举例来说，在抓取及举起较轻的数字物体时，设备该如何提供重量感？通过研究神经科学，工程师们设法找到了更多解决方法。Culbertson及其同事为重力问题开发出一款名为Brabity的装置。这实际是一只能够通过抓取与挤压方式拾取虚拟物体的钳子。只需要通过某种方式进行振动反馈，其就能够为用户带来重量与惯性的错觉。

但西北大学机械工程师Ed Colgate认为，“愚弄大脑的作法也只能达到这样的程度了。”这位专门研究触觉问题的工程师表示，关于触觉的幻觉极易被打破；因此从长远角度来看，工程师们必须尽可能忠实地重建现实世界中的物理现象，包括重量以及其它反馈——“这是一个非常困难的问题。”

抓握型装置通常利用的是所谓动觉感受：不仅影响到我们的皮肤，同时也作用于我们的肌肉、肌腱以及关节，经由神经介导提供运动、位置与发力的感觉。另一方面，可穿戴式设备则通常依赖于皮肤神经介导，从而提供与压力、摩擦或温度相关的触觉信息。

当在手指上佩戴各种实验装置时，用户即可在虚拟现实中触摸物体，并以不同的力度按压指垫。然而，近来出现的很多设备开始不再以指垫方式提供相同的反馈类型。具体来讲，其采用的是类似于佩戴戒指的方式配备具有伸缩驱动能力的马达。如此一来，手指即可自由与现实世界中的物体继续交互，但同时亦能够感知到各类“虚拟”物体——这种能力无论是对游戏还是其它严肃应用而言，都是一项重要的实用性功能。

在测试当中，人们可以握住一截真正的粉笔并感受压力，因为他们能够凭借着触觉反馈结合真实的粉笔在虚拟黑板上“写字”。换言之，他们既能够感受到粉笔在指尖的触感，又能够感受到马达驱动下带来的板书书写反馈，这一切都与实际书写别无二致。

更常见的是，可穿戴触觉设备通过震动传递信息。例如，Culbertson的实验室正在开发一种腕带，能够通过在用户需要转向的方向上震动来引导佩戴者。由斯坦福大学神经科学家David Eagleman创立的NeoSensory公司正在开发一种带有32部震动马达的背心，这款背心的原型在HBO的科幻剧集《西部世界》中已经得到展示，其能够帮助角色识别出敌人接近的方向。

该背心的首个实际应用，在于将声音转化为触觉，从而使得听力损失严重或者完全失聪的人们能够更轻松地理解口语。Eagleman还致力于将视觉世界中的各类元素转化为盲人能够感知到的震动。其它研究方向则涉及更为抽象的信息，例如市场与环境数据——相较于在空间网络中指示事物，复杂的震动模式甚至可用于表达十几只股票的实时价格变动。

▲上图所示为一种柔软且坚韧的皮肤状材料设计方案，其能够贴合身体并适用于可穿戴式触觉设备。传感器与致动器层由硅树脂层分隔。在传感器层中，锆钛酸铅（PZT）能够将力转换为电荷以反馈给计算机。致动器层中包含有多个微小的“口袋”或者说气囊，每秒可以多次补充空气，以便向佩戴者提供震动反馈。（由H.A. Sonar等人发明，发布于Frontiers in RoboTIcs and AI 2016之上）

由于震动电机往往比较笨重，因此也有一些实验室正在开发更舒适的解决方案。Paik在EPFL实验室当中就在开发一种柔性气动执行器（简称SPA）表皮——这是一片厚度低于2毫米的柔软硅胶，其中包含一些微小的气囊。各个气囊每秒可以独立充气与放气几十次，从而充当触觉元素的基本像素，最终建立起一套感知网格。这种材料有可能被引入类似于《头号玩家》中的玩家套装当中，或者用于反馈机器人或者假肢的定位功能。SPA皮肤还嵌入了由新型耐腐蚀合金制成的传感器，用户对其进行挤压时，对应的信号即可作为计算机输入进行传递。

另有一种更薄的触觉薄膜——其厚度甚至不到半毫米，同样由NovasenTIs构建而成，采用新型聚偏二氟乙烯塑料制成，能够在强度、柔韧性与电气响应能力之间取得完美平衡。当在柔性材料薄膜的一侧上层叠加并施加电荷时，薄膜即会收缩并弯曲，使得皮肤感受到相应压力。NovasenTIs现在已经开始为设备制造商提供材料，这些设备制造商可以利用其构建虚拟现实设备以及游戏操纵手套。

该公司市场营销副总裁Sri Peruvemba表示，“大家可以借此区分水、沙子以及岩石等虚拟对象。”此外，VR设计师还能够创造出更为抽象的表示效果，例如关于游戏状态的感官传递消息。Peruvemba指出，“我们甚至可以利用这种技术创建出一种完整的触觉语言。”

震动还能够产生另外一种触觉感受，即拉扯感。如果某一平等于皮肤表面且来回震动的设备能够在某一方向上快速移动，而后慢慢由另一方向往回移动，且每秒进行多次，即可感受到其似乎是在前一个方向之上产生拉扯感。

虽然大多数可穿戴设备主要采用触感设计，但也有一些可以利用肌肉关节肌腱等部分输入动觉感受。工程师们开发出机器人外骨骼，这是一种包含传感器与马达，并绑定在使用者身上的“脚手架”，能够帮助瘫痪的人们重新行走、为士兵提供超强的力量，同时也允许我们远距离控制机器人。EPFL的一座实验室即开发出FlyJacket，我们可以佩戴上操控手臂，两条手臂通过活塞在腰部位置连接。虽然看起来跟飞行没啥关系，但其确实允许使用者通过移动自己的手臂并扭动躯干来控制空中无人机的飞行。当无人机感受到阵风时，用户也能够获得同样的感受。

最后一类设备则属于可触摸界面，例如智能手机屏幕，这意味着我们点击应用程序功能图标时会产生一点点碰撞感。Culbertson的工作成果绝不限于简单的震动与嗡嗡作响。她使用的是所谓“数据驱动型触觉”模拟物体表面上的纹理。相较于编写复杂的算法或者物理模型来生成模拟真实模型的震动，她更希望记录哪某些东西以不同的速度在不同的织物或其它材料之上拖动时，会发生怎样的现象。通过这种方式，她尝试用笔在平面之上拖动，并对平面上的震动进行回放。如此一来，应用程序即可很好地还原这种效应，从而支撑起良好的在线购物乃至虚拟博物馆展示体验。

▲可触摸型触觉设备使得用户能够“感受”到不同的纹理，而具体效果取决于通过笔端传递的震动模式。震动的变化取决于笔的移动速度，以及用户施加的压力大小。其目标在于逼真地模拟表面的粗糙度、硬度与光滑度。

这种可触摸的表面也能够带来其它一些感受反馈。举例来说，Culbertson指出在按下图像中播放按钮时所发出的点击声音，会使得人们感到自己真的按动了物理按钮。或者，也可以让屏幕在手指点击时显示变形效果，从而体现出类似于柔性特征的表现。通过将视觉、听觉、触觉、味觉以及嗅觉加以结合，人们共同建立起整体感知系统——正如Culbertson所言，“只要实现感官层面的不匹配，我们就能很容易欺骗人类的大脑。”

VR的触觉实现可能永远停留在笨重加昂贵的阶段，但我们拿出的最终技术也绝对有可能使得《头号玩家》中的设备显得古怪而落后。无论如何，我们目前正走在这条值得探索的道路之上。从早已普及震动功能的视频游戏控制器，到智能手机与手表，触觉设备将持续存在，并不断为我们的数字生活带来新的惊喜。