苹果Force Touch和Apple Pencil技术揭秘

　　最近，媒体曝出苹果新一代手机iPhone6s中会采用Force Touch技术。其实，早在Apple Watch和MacBook系列笔记本之上就已经有所应用，不过这次的版本与此前不同。因为MacBook触控板和Apple Watch可感应两种不同水平的压力，即轻点和按压。而根据外媒爆料，新一代iPhone的“3D Touch Display”可以感应三种不同水平的压力，有轻点、按压和更强的按压。

　　所以，“3D Touch”的命名很可能因此而来。

　　因为专业的缘故，我在新一代触觉振动技术上耕耘多年，看到这个消息觉得很兴奋，觉得触觉互动的春天来了。带着对“ 触觉互动”、下一代“人机对话”的好奇，我在这里来科普下苹果的新“黑科技”：Force Touch技术（由于苹果没有官方明确表示技术为“3D Touch”，这里就还称为Force Touch技术），以及由此开启的更广阔方向：触觉互动。

　　一、由Force Touch开启的“触觉互动”大门

　　Force Touch，即压力触觉，指通过感应压力的产生和改变，从而实现电学数据的变化，再通过电学数据而产生指令，最后达到压力而间接实现指令的过程。

　　压力触觉的研究探索，已经有很多年了。其中，美国Z-origin的Z-Tohch则是较早的触控探索者，后来，微软、黑莓都相继提出触控方面的专利和应用，但由于各类原因，其触控给顾客感受，并不完美。

　　前不久，华为也在中国发布了其压力触控屏幕的手机MATE S，其采用的技术方案暂未拆解清楚，但以其比上一款更薄的宣传，其技术方案与苹果有些许差异，但却没能引起行业的热议，苹果的影响力之大可想而知。

　　苹果发布的压力触控，以苹果惯有的风格而言，应该是比较成熟和完善的，所以才会发布在手机上。因此，苹果的号召力，让压力触控开启了“触觉互动”的大门。

　　目前的手机，对于触觉反馈的应用，仅仅停留在振动和提醒上。但是，美国“IMMERSION”公司等振动和触控行业的公司，已经布局了基于“触觉互动”的大量技术储备与专利，其中软件系统和硬件均有中国科技公司的身影。

　　比如TI公司早前推出过基于高电压的新一代振动马达的驱动芯片；IMMERSION公司布局了多项振动反馈专利，其网站也显示推出新一代振动反馈方案；中国如衡业新材等，也在研发“新一代触摸反馈”的核心硬件。

　　这次苹果推出了“Force Touch”的技术应用，为更广大的“人机触觉互动”打开了大门，让用户迈进了新一代“触觉互动”的时代。

　　二、Force Touch的技术原理

　　压力触控的原理，其实很容易理解：

　　屏幕感应手指压力——通过手指压力的面积变化——从而产生不同的电学信号——压力传感器件根据电信号进行处理——手机CPU接收压力传感器信号——手机CPU产生相应的指令——顾客感知由压力产生的指令变化（比如屏幕变化、菜单）

　　下图就是展示用户如何通过按压方式，获得手机/平板反馈的这一完整过程的流程：

　　从上图所示，触觉反馈的技术原理，由触摸产生的压力、压力的识别、识别后的回馈指令三个大的部分组成，其中很重要的是触觉传感器“Force Touch Sensors”，它是按压触摸的重要部件。

　　而手机构造的轻薄，也给触摸传感器与FPC提出很高的要求，相对于平板和电脑来说必须非常轻薄。这次苹果手机反而增加厚度，是因为“Force Touch”的关键部件所产生的厚度，也就是加入了Force Touch压力模块。不过也有传，苹果在下一代手机上，会缩小这个厚度，那么苹果届时会在哪里作何改动？

　　三、Force Touch的构造

　　1、整体触控构造：

　　根据目前对iPhone6s的拆解，其采用的屏幕依然是Incell屏幕，供应商为JDI等日本公司，Incell 屏的触控层在COVER GLASS之下，而且还要加上“Force Touch”的物理部件，因此，屏幕的构造必须非常的精巧。

　　2、触控层的特殊变革/材料变化

　　虽然依然是INCELL屏幕，而其触控层是否引入了最新的革命性材料，暂时尚未可知，但从网络上能看到：苹果要求其日本供应商供应纳米银屏幕，因此，行业看好的SILVER NANO WIRE（纳米银）是否已经应用与新一代苹果中，暂未确认。

　　苹果的专利显示，苹果将原有的触控层，接近液晶的部分，将其中ITO的VCOM层切割成平行线，就是为了压力触控的实现。

　　3、压力传感器部分

　　根据对苹果MAC的公开拆解，MAC上有四个压力传感器，分别位于触控的四方，而且还有一个由磁性材料组成的“回馈体系”。

　　Mac的触控板拆解

　　从以上拆解的Mac触控板上看，Force Touch早已应用在Mac上，由于Mac面积和厚度，都更适合进行压力触感层的处理，因此，苹果手机的采用，也来自于在Mac上使用的工艺积累。

　　必须要看到的是，Mac上有个专门的“回馈系统”——由磁性材料组成的“反馈器”，它的作用是对用户按压时候，进行声音或震动的回馈，让用户的体验更有“真实感”。

　　网上流出的苹果6s的拆解：比6略厚，因为内置了触控传感器

　　由于目前还没有真实完整的iPhone6s拆解，特别是针对其压力触控部分的逐件拆解，因此，如何精巧地将压力触控部分放置其中是一大难题。且根据媒体公布的手机厚度的增加，应该起触控控制器件的作用，但目前尚无法做到非常轻薄，有其物理极限。

　　下一代的iPhone7，苹果已经表示会更薄，而更薄是来自于触控部分的变化，还是苹果本身其他器件的结构的变化，不得而知，只能等相关消息放出，我们再做深入分析。

　　四、“触觉互动”才是Force Touch开启的未来

　　1、触觉互动的起源与雏形

　　压力传感技术，只是“触觉反馈体系”的开局，下一代手机，有望在触觉反馈体系上，衍生出很多令消费者惊呼的应用。目前的Force Touch技术，只有指令和屏幕功能的变化，还没有“来自手机对顾客的物理回馈”。

　　----这就是未来的“触觉互动”。

　　触觉互动不仅包括手机的软件体系的反馈，也包括手机“硬件体系的反馈”。比如，当你触摸屏幕的“仙人球”， 你如果能感到一种刺手的感觉，这就是对“触觉互动”的通俗诠释。更通俗来说，就是仿真，真实的感觉。

　　几年前，日本在触觉振动器件的推动下，生产了几款可以快速响应振动的手机和平板，但当时的这些产品和压力触控都没有多大关系：

　　比如，日本DOCOMO生产的一款“RAKURAKU”老人手机，其振动回馈可以让在老人触摸屏幕有触感，如按压键盘一样的实物感，还曾风靡一时；日本松下也推出独特振动回馈的平板；韩国PANTECH（潘泰）也推出过精敏振动的平板等等。

　　日本富士通的RAKURAKU老人手机

　　但由于当时没有提出由压力传导，再通过物理回馈而组成一个闭环回路，这些置入了触觉振动器件的产品并没有引起行业的热议，但这已经算是“触觉互动的雏形”。

　　2、触觉互动的关键器件：物理回馈器件

　　触觉互动体系，离不开一个关键器件：触觉振动反馈器件， 它要求的反馈速度和精度，根本不是现有的偏转振动马达或直线振动马达所能达到的。它需要全新的振动反馈器件，其中包括磁性材料、压电陶瓷材料，而压电陶瓷材料与MEMS工艺结合的器件，被认为是最佳的反馈器件。

　　而颇具悲伤的是，目前压电MEMS器件也在突破之中。现在存在的局限性有：体积只适合PAD，离手机对体积的要求有距离、功耗问题，但目前由多层陶瓷带来的功耗大大降低，有望解决这一问题。

　　从事关键硬件研发的有日本的科技企业，也有中国年轻的海归科技企业的身影。比如有从事陶瓷振动材料与器件研发的的科研朋友常和我坦言：我们坚信这一趋势，通过材料与结构技术，已经将电压由100V以上降到36V，并在部分大尺寸的平板上进行试用，但应用于手机上面，还需要在体积等方面进行诸多改进。

　　中国企业衡业新材研发的“新一代陶瓷振动器件”原型

　　3、“触觉互动”的未来

　　苹果引领的“触觉互动”，有着广阔的未来应用前景，它不仅让顾客有真正的“人机对话”体验感，更会产生更多更大的应用市场，比如物联网的应用等，也将翻开手机应用的新一页。

　　更重要的是，触觉反馈也将带来行业的一系列连锁反应，将催生更多新材料、新工艺、新器件的革命，特别是新材料与MEMS工艺的结合，将在其中得到广泛的应用。

　　除了Force Touch，苹果这次还重新定义了一项触控技术，那就是曾经乔布斯深恶痛绝的“触控笔”。

　　在平板电脑用户心中，手写笔的需求是一直存在的，毕竟在触摸屏上笔尖是比指尖精确一些的输入方式。然而苹果人一直没有碰触手写笔的原因，可能是因为老乔生前的理念遗留。乔布斯曾经在iPad一代发布会上公开嘲讽触控笔：“谁会想整一支触控笔？揣兜里不方便不说，你带着一支笔到处溜达，弄丢了咋整，所以触控笔都是扯犊子。”（乔老爷子原话，东北话版翻译）

　　也许是因为平板市场的激烈竞争，加上用户的强烈需求愿望，才导致苹果为旗舰专业平板做出一个妥协的产品，这是在打乔布斯的脸吗？

　　苹果正式发布Apple Pencil之前，iPad Pro会配一款手写笔的传言就不绝于耳，甚至被曝光出非常多关于该触控手写笔的专利。

　　直至今日凌晨，这款Apple Pencil才千呼万唤始出来，虽然人们对新iPad Pro的触控笔有了一些心理预期，但仍然对这支笔感到些许惊喜，这支笔完全不同于传统的电容触控笔，确实是一款高科技的产品。

　　根据发布会介绍，Apple Pencil采用了纯白的配色，设计简洁优雅，笔尖很细，完全颠覆了普通电容式触控笔傻大憨粗的形象。Apple Pencil是专为iPad而生，可以与iPad进行合作使用，和传统的触控笔相比，其内部隐藏了很多惊人的技术。

　　说到触控笔就不得不提一下电容触控笔的原理。简单的说，设备工作时，会给与电容屏工作面通上一个很低的电压，当用户触摸屏幕时，手指或触控笔就会吸走一个很小的电流，这个电流分别从触摸屏的四个角或四条边上的电极中流出，经过控制器对这四个电流的比例进行精密计算，从而得出触摸点的位置。

　　传统的触控笔原理就是，在笔杆上采用金属材质，笔尖上安装一个导电硅胶、导电棉或导电纤维等材质的笔头，这样就算给手指和屏幕之间搭建了一个通电的桥梁，从而可以控制屏幕。这种传统触控笔的缺陷就是，缺乏灵敏度和精度。

　　而根据发布会介绍，Apple Pencil可与iPad Pro屏幕进行连通使用，系统可以判定用户是使用手指还是 Apple Pencil，当它感应到 Apple Pencil 时，辅助系统每秒 240 次扫描显示屏，所收集的数据点相当于用手指的两倍，响应能力十分迅捷高效。

　　Apple Pencil 内置了压力感应器和倾斜角度感应器，可以模拟人们用笔时的真实情况，比如感知压力、位置，以及和iPad之间的夹角，根据笔尖的斜度和压力，MulTI- Touch 显示屏能侦测到每个感应器的相应位置，从而描绘出粗细程度不一的线条，举个例子，用户使用Apple Pencil写画时，如果按压力度大，压力传感器会得到回馈，从而进行“线条加粗”之类书写状态的调整。

　　基于Apple Pencil的传感器和iPad Pro的屏幕支持，Apple Pencil可以做到非常高的使用灵敏度，在屏幕上写画时并不会有延迟感，而且相对于传统的电容触控笔，Apple Pencil有着不可想象的高精度，最高可以精确到一个像素的书写效果。

　　Apple Pencil既然集成了诸多技术，所以，与传统触控笔不同的是，Apple Pencil必然需要电量支持。在Apple Pencil的尾部，打开笔盖，你会发现一个Lightening接口，可以直接插入iOS设备进行充电，觉得充电不方便？不用担心，Apple Pencil支持 15 秒快充，一次快充可支持 30 分钟的使用，而完全充满的使用时间也达到了 12 个小时，足够用户日常使用。

　　苹果并不是第一个使用高精技术制造触控笔的厂商，之前红极一时的53 Paper Pencil蓝牙触控笔同样集成了很多技术，不过相对于Apple Pencil来说，53 Pencil的长相实在是太笨拙了。

　　虽然说是一款妥协的产品，但并没有对付，依然做到了笔中的极致，这款Apple Pencil对于专业用户来说还是一款非常合格的产品，99美元的价格虽然有些略贵，但是与53 Pencil也差距不大，毕竟这是一款专业工具。

　　不过Apple Pencil也有一个致命缺陷，那就是苹果并没有为这个精致的手写笔提供置放的空间，53 Pencil 至少还能利用iPad 侧边的磁性栏贴合，而Apple Pencil并没有合理的放置位置，看来乔帮主的担忧是正确的：弄丢了可咋整？