燕學智， 李瑞格， 武秋爽

(吉林大學 通信工程學院, 長春 130022)

近年來，智能手機、平板電腦等多媒體終端日益普及，成為應用最為廣泛的人機交互媒介[1]，觸摸屏技術也成為當下最為普遍的交互方式之一。然而，絕大多數(shù)觸摸屏操作依賴于視覺和聽覺[2-3]，僅有大約15%的信息來自觸覺，相比于視聽交互技術的迅速發(fā)展，觸覺交互技術研究仍處于起步階段。觸覺反饋的缺失會降低操作效率和用戶體驗[4]，限制觸摸屏產(chǎn)品在嘈雜和視覺障礙環(huán)境中的應用。

2001年，Robles-de-la-Torre和Hayward[5]在Nature上撰文證明人類對物體形狀的觸覺感知取決于手指受到的作用力，為觸覺再現(xiàn)技術的實現(xiàn)提供了重要的理論依據(jù)。早期的觸覺再現(xiàn)研究主要針對間接式力觸覺反饋技術，研究者主要通過鼠標、機械臂、指點桿等媒介間接控制力觸覺感知。典型應用包括Rosenberg和Brave[6]的力反饋操作桿、Sensable公司的筆式觸覺再現(xiàn)設備(Phantom設備)和IBM公司[7]的trackpoint力反饋設備等。上述力觸覺再現(xiàn)設備能夠產(chǎn)生幾牛頓量級的觸覺感知，模擬多種觸覺感受，在機器人遙操作、軍事、醫(yī)學等方面發(fā)揮了重要作用[8]。然而，該類設備的觸覺接口與視覺接口分離，難以再現(xiàn)復雜精細的特性信息[9]，在多目標復雜任務中甚至會干擾目標選擇，且裝置體積較大，攜帶不便，難以與現(xiàn)有的多媒體終端產(chǎn)品結(jié)合應用。相比之下，表面觸覺再現(xiàn)技術具有體積小、功耗低、集成性高等優(yōu)勢，易與現(xiàn)有觸摸屏產(chǎn)品集成應用，成為多媒體終端觸覺再現(xiàn)的最佳選擇。

表面觸覺再現(xiàn)技術可通過裸指觸摸屏幕來感知視覺對象的形狀、紋理等觸覺特征，利用人類的觸覺感知通道提高人機交互操作的真實性和沉浸感，在生活、娛樂、教學、軍事等領域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢[10]?，F(xiàn)有的表面觸覺再現(xiàn)技術的現(xiàn)狀研究大多集中于兩方面：①對典型的原理樣機設備的具體介紹；②對觸覺再現(xiàn)技術的簡單比較和重難點分析。2006年，陳旭和宋愛國[11]對針式振動觸覺再現(xiàn)、空氣壓力觸覺再現(xiàn)、靜電陣列觸覺再現(xiàn)和鋸齒表面觸覺再現(xiàn)設備進行具體介紹和簡單的性能比較。2007年，王愛民和戴金橋[12]分別對力覺再現(xiàn)技術和觸覺再現(xiàn)技術的研究進展進行介紹。2008年，陸熊和宋愛國[13]也從上述兩方面著手，分類介紹國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及相關應用。2008年，Chouvardas等[14]對手指皮膚結(jié)構(gòu)和典型的觸覺再現(xiàn)設備進行介紹。2011年，郝飛等[15]對振動式、壓力式、電刺激式和溫度刺激式設備進行介紹，并簡單比較了4種方式的性能。然而，上述研究所提設備多為早期的穿戴式或體積較為龐大的非表面觸覺再現(xiàn)設備，未對近年來的成果進行系統(tǒng)性的分析和總結(jié)。除此之外，由于表面觸覺再現(xiàn)原理多樣，設備性能受多種因素影響，導致該領域評價標準表述不一，難以得出有效的性能評價。現(xiàn)有研究對設備的各項性能評價均過于主觀，未給出客觀可信的評估標準，制約了表面觸覺再現(xiàn)技術的設計開發(fā)與實際應用。

本文對近十年的表面觸覺再現(xiàn)技術進行了介紹。根據(jù)表面觸覺再現(xiàn)原理的不同，將現(xiàn)有技術分為振動式、壓力式、壓膜式、靜電力式和電刺激式，詳述5種技術的工作原理、性能指標和優(yōu)缺點，對該領域的最新進展進行梳理和完善。針對現(xiàn)有評價方式過于粗糙和主觀的問題，提出了一種表面觸覺再現(xiàn)技術的評估方法。通過制造難度、工作區(qū)間、可調(diào)范圍、感知強度、功率損耗、再現(xiàn)效果和用戶體驗7種性能指標來全面評價現(xiàn)有設備，采用專家打分法和層次分析法獲得4種設備在每種性能指標下的權重，為各領域選擇和評價所需設備提供參考，彌補了現(xiàn)有評價方式的缺陷。本文將所提方法應用于多媒體終端領域，得到4種設備在該領域下的7種性能指標合成權重及性能排序，為設備的終端應用提供參考?？偨Y(jié)現(xiàn)有設備的不足，討論未來的研究和改進方向。

1 表面觸覺再現(xiàn)設備

表面觸覺再現(xiàn)設備通過在皮膚表面產(chǎn)生輕微刺激，使皮膚淺層感受器興奮進而引起各種感覺，增加交互過程中的沉浸感?，F(xiàn)階段多媒體設備趨向小型化、智能化和便捷化，設計擴展性強和兼容性好的輕便型表面觸覺再現(xiàn)設備成為研究重點。下面將具體介紹5種不同類型的設備，并總結(jié)設備的優(yōu)勢與不足。

1.1 振動式表面觸覺再現(xiàn)設備

振動式表面觸覺再現(xiàn)設備通過控制線性馬達、音圈電機等各種振動器使裝置部分或整體振動，刺激操作者手指產(chǎn)生振動觸感。按照振動方式的不同，可將振動式表面觸覺再現(xiàn)設備分為形狀表面觸覺再現(xiàn)設備和分布式振動表面觸覺再現(xiàn)設備2類[16]。前者通過振動器控制插針陣列等皮膚接觸器的升降位移再現(xiàn)觸覺，后者則通過分布排列的振動器施加固定頻率振動使皮膚產(chǎn)生形變再現(xiàn)觸覺，2種設備的觸覺再現(xiàn)原理如圖1所示。雖然形狀表面觸覺再現(xiàn)設備中并無明顯的振動環(huán)節(jié)，與現(xiàn)有對振動設備的認知不符，但早期的振動式表面觸覺再現(xiàn)設備定義較為廣泛，所有依靠振動器直接產(chǎn)生振動或間接帶動接觸器產(chǎn)生振動的設備都可歸類為振動式表面觸覺再現(xiàn)設備。

圖1 2類振動式表面觸覺再現(xiàn)設備Fig.1 Two types of vibratory surface tactile representation device

1.1.1 形狀表面觸覺再現(xiàn)設備

1997年，Ikei等[17]通過壓電致動器驅(qū)動50個半徑為0.5 mm的振動插針以250 Hz頻率振動，使插針產(chǎn)生5～57 μm位移，用以刺激手指皮膚，如圖2所示。該設備可產(chǎn)生10種可區(qū)分的感知量級，但裝置體積較大，且觸感微弱。

2000年，Hayward和Cruz-Hernandez[16]研制出一種形狀表面觸覺再現(xiàn)設備，由皮膚接觸器、黃銅薄膜、壓電致動器和控制系統(tǒng)組成，在±200 V電壓下產(chǎn)生±5 mm位移，振感較強烈，但工作區(qū)間僅為12 mm×12 mm，且分辨率低，如圖3所示。2002年，Wagner等[18]研制出一種針式形狀表面觸覺再現(xiàn)設備，36個RC伺服電機帶動6×6的插針陣列運動，可再現(xiàn)16種簡單形狀，如圖4所示，但插針轉(zhuǎn)換速率僅為38 mm/s，且整體再現(xiàn)范圍過小，觸覺再現(xiàn)效果受限。

圖2 Ikei表面觸覺再現(xiàn)裝置原理及結(jié)構(gòu)[17]Fig.2 Principle and structure of surface tactile representation device by Ikei[17]

圖3 Hayward表面觸覺再現(xiàn)設備[16]Fig.3 Surface tactile representation device by Hayward[16]

圖4 觸覺顯示樣機[18]Fig.4 Tactile display prototype[18]

1.1.2 分布式振動表面觸覺再現(xiàn)設備

2009年，Yatani和Truong[19]研發(fā)出SemFeel設備，將5個振動電機嵌入手機后端，通過調(diào)節(jié)電機振動強度再現(xiàn)定位、線性、循環(huán)等11種振動模式，如圖5所示。該設備可幫助用戶區(qū)分不同的按鈕操作，準確度可達90%，但設備體積較大。

圖5 SemFeel設備[19]Fig.5 SemFeel device[19]

2010年，韓國Yang等[20]研制出T-mobile設備，可為手機提供線性和循環(huán)2種方向信息，如圖6所示。該設備由12個振動嵌板組成，每個嵌板均可獨立控制，加載8種PWM信號，同一嵌板振動間隔需超過18 ms，不同嵌板振動間隔需超過24 ms，但設備的振動嵌板體積過大且與顯示器脫離，攜帶不便。

圖6 T-mobile設備[20]Fig.6 T-mobile device[20]

圖7 磁針式觸覺感知系統(tǒng)[22]Fig.7 Tactile perception system using magnet needles[22]

振動式表面觸覺再現(xiàn)是研究最早的表面觸覺再現(xiàn)技術，早期的形狀表面觸覺再現(xiàn)設備存在制造難度大等一系列問題，難以應用于實際，因此逐漸被淘汰。隨著制造工藝的發(fā)展，振動式表面觸覺再現(xiàn)設備的集成化和便捷化程度有所提升，且工作區(qū)間可達整個屏幕，觸感強烈，有效提高了交互性能。但該類設備需帶動屏幕整體振動，過程中產(chǎn)生的機械形變難以控制，觸感粗糙，反饋形式單一，可調(diào)范圍小，且振動過程會產(chǎn)生較大的功率損耗，難以應用于大尺寸觸摸屏設備。

1.2 壓力式表面觸覺再現(xiàn)設備

壓力式表面觸覺再現(xiàn)設備使用氣體、形狀記憶合金等對手指施加變化的壓力，模擬手指接觸物體時的形變，從而再現(xiàn)觸覺感知[21]。由于空氣具有良好的壓縮性，氣體的擠壓和膨脹不會造成用戶的不適感和不安全感，而形狀記憶合金具有恢復性強、延展性好、可實現(xiàn)多種變形形式等特點，因此基于氣體和形狀記憶合金材料的壓力式表面觸覺再現(xiàn)技術受到了廣泛關注。

1998年，Asamura等[22]研制出一種磁針式壓力表面觸覺再現(xiàn)設備，如圖7所示。設備由安裝在用戶手掌下部的4個兩兩間距2 mm的磁針和4個垂直放置的通電線圈構(gòu)成，可產(chǎn)生正向和反向2種驅(qū)動模式。正向驅(qū)動模式可同時刺激皮膚淺層和深層觸覺感受器，再現(xiàn)輪廓信息；而反向驅(qū)動模式則只能刺激淺層觸覺感受器，再現(xiàn)紋理信息。但該設備存在感覺不真實、工作區(qū)間小、結(jié)構(gòu)復雜等問題。同年，Asamura等[23]研制出一種氣壓表面觸覺再現(xiàn)設備，通過控制激勵信號參量選擇性刺激不同深度的皮膚感受器，1V/100 Hz的輸入信號可產(chǎn)生2.8 kPa氣壓，如圖8所示。

圖8 氣動和針型觸覺再現(xiàn)設備結(jié)構(gòu)[23]Fig.8 Structure of tactile representation device using air and pin[23]

2004年，Makino和Shinoda[24]將吸入壓力刺激(SPS)和多基元觸覺刺激(MPTS)2種技術應用于掌上表面觸覺再現(xiàn)設備，使該設備選擇性刺激RAI和SAI 2種淺層皮膚感受器。SPS技術可產(chǎn)生較為穩(wěn)定的觸覺刺激，精確控制皮膚形變量；MPTS技術可組合多個觸覺產(chǎn)生單元，實現(xiàn)較大面積的觸覺再現(xiàn)。該裝置解決了刺激單元與皮膚接觸不穩(wěn)定、難以精確控制等問題，但仍存在結(jié)構(gòu)復雜、制造工藝高等問題。

2008年，Koo等[25]使用25 μm厚的電活化聚合物研制出一種柔軟的指套型表面觸覺再現(xiàn)設備，可產(chǎn)生0～3.5 kV電壓，使4×5排列的電活化聚合物陣列在電場作用下改變凸起高度，刺激指尖皮膚，如圖9所示。該設備靈活性高，制造工藝簡單，但最大只能產(chǎn)生471 μm位移，總體有效區(qū)域僅為11 mm×14 mm，可調(diào)范圍小，感知強度較弱，所需電壓高，功率損耗大。

圖9 可穿戴觸覺顯示設備的3D結(jié)構(gòu)[25]Fig.9 3D structure of wearable tactile display device[25]

壓力式表面觸覺再現(xiàn)設備安全性高，不會造成操作者的不適感和抵觸心理，用戶體驗良好，但氣壓表面觸覺再現(xiàn)設備存在氣體外泄等不可控因素，控制過程中精度有限，且設備需要較為復雜和精細的制造工藝，加工難度大，難以實現(xiàn)大范圍連續(xù)細膩的觸覺再現(xiàn)效果。

1.3 基于壓膜效應的表面觸覺再現(xiàn)設備

空氣壓膜指當兩平板中的某一個作高頻振動時，氣體無法及時溢出而在兩板間形成的高壓空氣薄膜[26]。標準Reynolds方程[26]可描述空氣壓膜效應：

(1)

式中：σ為壓膜系數(shù)，反映了空氣黏滯力與壓縮力間的量化關系；R為平板半徑；Pa為標準大氣壓；h0為兩平板間距；ω為平板振動頻率；μ為空氣黏滯系數(shù)。

圖10 空氣壓膜效應原理Fig.10 Principle of air squeeze-film effect

圖11 T-PaD設備[28]Fig.11 T-PaD device[28]

2010年，Marchuk等[29]研制出LATPaD設備，工作區(qū)間約為83 mm×49 mm，適合與手機、小型平板電腦等結(jié)合使用，如圖12所示。該設備底層為LCD屏幕，上層為透明玻璃板和安裝于板上的壓電振動片，可產(chǎn)生0～1 N法向力和-0.5～0.5 N切向力。2011年，英國哥倫比亞大學Lévesque等[30]在LATPaD上驗證可變摩擦力對單指平移操作性能的影響，并將其應用于時間/音量調(diào)節(jié)、文件拖拽等應用中。2012年，Lévesque等[31]又將設備應用于單指滾動交互，進一步研究設備的應用場景。

2011年，Amberg等[32]研制出STIMTAC裝置，如圖13所示。第一代設備用USR60超聲電機和LVDT產(chǎn)生振動，工作區(qū)間僅為幾厘米，之后采用輕便的力傳感器代替笨重的光學傳感器，用USB實現(xiàn)供電和信息傳輸，耗電量降低90%，從體積和能耗方面提升了設備性能。

2012年，Dai等[33]研制出SlickFeel設備，使用30 kHz電信號和500 Hz電信號分時控制，可產(chǎn)生滑動和點擊2種觸覺反饋，如圖14所示。觸覺振動單元由1.7 mm厚的玻璃片和2個壓電片封裝而成，固定于Kindle Fire上，利用平板電腦的定位裝置判斷手指運動狀態(tài)并對運動信息進行處理，控制觸覺振動單元產(chǎn)生對應反饋，原理如圖15所示。

近年來，除了對設備性能的不斷優(yōu)化，研究者還對空氣壓膜效應原理性問題展開研究。2014年，馬露[34]推導得到氣膜可壓縮程度與裝置共振頻率間的關系和手指接觸位置處的空氣壓膜強度，證明氣膜壓強隨表皮凸起高度的增加而增加。2015年，Sednaoui等[35]研究發(fā)現(xiàn)表面摩擦系數(shù)隨超聲振動幅度的增加呈現(xiàn)指數(shù)減小，在振動幅度達到3 μm時減小到某一下限。2016年，Wiertlewski等[36]證明手指皮膚的動態(tài)性是造成摩擦減小的主要原因，也得到振動幅度與摩擦力間的對應關系。研究者通過受抑全內(nèi)反射方法得到高頻振動情況皮膚向反向運動，但中間空氣不能及時溢出，阻礙皮膚反彈運動，造成手指與設備間出現(xiàn)空隙，使摩擦力減小。2017年，Gueorguiev等[37]通過E-ViTa設備獲得超聲脈沖信號過渡時間和持續(xù)時間的感知差異閾值僅為2.06 ms和2.4 ms，證明人體對脈沖信號敏感，為脈沖信號的應用提供參考。

圖12 LATPaD設備[29]Fig.12 LATPaD device[29]

圖13 STIMTAC設備[32]Fig.13 STIMTAC device[32]

圖14 SlickFeel設備[33] Fig.14 SlickFeel device[33]

圖15 SlickFeel設備工作原理Fig.15 Principle of SlickFeel device

基于空氣壓膜效應的表面觸覺再現(xiàn)設備工作區(qū)間大，制造工藝較為簡單，且能夠產(chǎn)生較為強烈的觸感和連續(xù)細膩的再現(xiàn)效果，但設備需借助屏幕整體振動產(chǎn)生觸覺感知，功耗較大。

1.4 基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設備

1953年， Mallinckrodt等[38]發(fā)現(xiàn)金屬表面在通電時的觸感較未通電時粗糙，進而研究發(fā)現(xiàn)，當干燥手指在覆有絕緣物質(zhì)的通電金屬表面滑動時，手指會有“膠質(zhì)”觸感。該現(xiàn)象是由于手指內(nèi)部的導電流體和金屬層構(gòu)成的平行電容結(jié)構(gòu)充放電所致，手指表皮角質(zhì)層和金屬表面絕緣層則充當電容極板間的電介質(zhì)。

當在導電金屬層施加周期性變化的信號V(t)時，金屬層將交替分布正負電荷，如圖16所示。當V(t)為正電壓時，絕緣層上下表面分別分布正負電荷，皮膚角質(zhì)層則由于電荷感應原理帶有負電荷；當V(t)在正負電壓轉(zhuǎn)換過程時，絕緣層的正電荷向下移動，負電荷向上移動，手指因此同時攜帶正負電荷；暫態(tài)結(jié)束后，金屬層將均勻分布負電荷，手指則攜帶正電荷。

綜上，隨V(t)周期性變化，皮膚和導電金屬間會產(chǎn)生周期性的靜電吸引力，該靜電吸引力不足以直接使手指產(chǎn)生彈性形變，因此靜止狀態(tài)的手指難以感知吸引力的存在。但當手指滑動時，靜電力的變化會使手指所受摩擦力變化，從而再現(xiàn)各類表面觸覺感知，其力學模型如圖17所示。圖中：fe為靜電吸引力，fr為滑動摩擦力，方向與手指運動方向相反。

圖16 手指電荷分布情況Fig.16 Charge distribution in fingers

圖17 基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)力學模型Fig.17 Surface tactile representation mechanical model based on electrostatic force

1970年，Strong和Troxel[39]應用靜電力表面觸覺再現(xiàn)原理研制出一種陣列型設備，并深入研究影響fe(t)的因素，將fe(t)和fr(t)表示為

(2)

fr(t)=μ(Fn+fe(t))

(3)

式中：ε0為真空介電常數(shù)；A為手指接觸區(qū)域面積；V(t)為瞬態(tài)電壓；Ti和Tsc分別為設備絕緣層和皮膚角質(zhì)層的厚度；εi和εsc分別為設備絕緣層和皮膚角質(zhì)層的相對介電常數(shù)；Fn為手指壓力。2006年，Kaczmarek等[40]根據(jù)式(4)所示的平板電容結(jié)構(gòu)標準力學模型提出另一種靜電力模型，如式(5)所示。

(4)

(5)

上述模型符合平行電容結(jié)構(gòu)的標準力學模型，因此被廣泛應用于靜電力表面觸覺再現(xiàn)領域[41-46]。由式(3)和式(5)可得，fr(t)的變化主要取決于fe(t)的變化，而fe(t)則取決于V(t)的變化情況，因此靜電力設備實際是通過控制激勵信號幅度等參量實現(xiàn)表面觸感再現(xiàn)。

2006年，Yamamoto等[41]將50個長為37 mm、寬為0.8 mm的電極兩兩相距2.54 mm排列成矩形電極陣列，在100～200 V電壓作用下可產(chǎn)生0～900 mN摩擦力，如圖18所示。設備的位置傳感器將手指位置輸入系統(tǒng)，控制導軌在紋理表面移動，并將表面受力信息反饋入系統(tǒng)，生成刺激信號產(chǎn)生對應觸感。該設備的紋理再現(xiàn)信息取自于真實表面，可信度較高，且易與移動終端結(jié)合，但設備采用電極陣列形式，觸覺再現(xiàn)不連續(xù)，呈現(xiàn)的紋理模糊，感覺微弱。

2010年，Disney研究中心Bau等[42]使用3 M電容式觸摸屏研制出TeslaTouch設備，如圖19所示。設備使用投影儀將圖像投射到3M平板，使用紅外照相機捕捉手指位置并實時改變激勵信號，產(chǎn)生與視覺信息對應的觸感，其再現(xiàn)原理如圖20所示。該設備靈活性和集成性均很高，且功耗較低，但對較為尖銳和突出的圖像紋理渲染效果較差。

2016年，吉林大學孫曉穎團隊[43-46]研制出基于Windows平臺和Android平臺的靜電力表面觸覺再現(xiàn)終端，實現(xiàn)了視覺對象形狀等特性的表面觸覺再現(xiàn)，如圖21所示。該設備包括表面觸覺再現(xiàn)面板、控制單元和定位單元3部分，再現(xiàn)流程如圖22所示。設備的觸覺分辨率為1 mm，觸覺刷新頻率為60 s，交互范圍為12寸，最大反饋力為1 N。

圖18 觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)原理[41]Fig.18 Principle of tactile representation system[41]

圖19 TeslaTouch設備[42]Fig.19 TeslaTouch device[42]

圖20 TeslaTouch設備原理[42]Fig.20 Principle of TeslaTouch device[42]

圖21 靜電力表面觸覺再現(xiàn)移動學習終端Fig.21 Electrostatic surface tactile display mobile learning terminal

圖22 靜電力表面觸覺再現(xiàn)設備實現(xiàn)流程Fig.22 Implementation process of electrostatic surface tactile representation device

電極陣列形式的靜電力表面觸覺再現(xiàn)設備可實現(xiàn)簡單圖形圖像的紋理渲染，但設備加工難度增加，屏幕透明性差，難以提供良好的視覺-觸覺-聽覺多通道交互體驗，因此研究重點轉(zhuǎn)為表面觸覺再現(xiàn)設備與多媒體終端的融合優(yōu)化問題，融合設備也因制造方便、工作區(qū)間大等優(yōu)勢獲得廣泛重視。靜電力式表面觸覺再現(xiàn)設備不依賴任何運動部件，也不會引發(fā)屏幕的物理變化，具有無噪聲、低功耗、質(zhì)量輕、使用便捷等特點，且易于應用于現(xiàn)有多媒體終端，具有廣闊的市場前景。然而由于原理限制，靜電力表面觸覺再現(xiàn)設備只能在手指滑動過程中獲取紋理信息，無法在靜態(tài)情況呈現(xiàn)觸覺，且觸感較微弱，對溫濕度等環(huán)境條件極為敏感[47]，再現(xiàn)效果因人而異。

1.5 電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備

電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備通過表面電極產(chǎn)生電流，直接刺激人體皮膚內(nèi)的感覺神經(jīng)，再現(xiàn)觸感[48]。2010年，劉捷等[49]研制出一種電觸覺替代視覺系統(tǒng)(Electrotactile Vision Substitution System，ETVSS)(見圖23)，通過圖像采集及處理單元將漢字轉(zhuǎn)換成二值圖像，使用電刺激器控制16×16的電極陣列對應位置處的電機產(chǎn)生電流，刺激手指皮膚產(chǎn)生觸感。2012年，Kajimoto[50]使用SH-7144F實時監(jiān)測皮膚阻抗，并根據(jù)皮膚阻抗變化實時改變電刺激的脈沖寬度，從而改善電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備觸感不唯一的問題，如圖24所示。

2015年，Kitamura等[51]針對現(xiàn)有電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備所需電壓過高、體積龐大等問題，研制出一種包括中間1個主刺激電極和周圍6個接地電極的電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備，如圖25所示。該設備通過刺激皮膚淺層感受器再現(xiàn)觸感，降低了設備所需的電壓。2016年，Tezuka等[52]針對上述設備觸感單一的問題對設備進行改進，將6個接地電極換成放置于指甲處的平板接地電極，可同時刺激皮膚淺層和深層感受器，從而再現(xiàn)多種觸感，如圖26所示。

2017年，F(xiàn)ranceschi等[53]針對現(xiàn)有假肢難以提供觸感特性的問題，將分布式傳感器和電極陣列相結(jié)合，研制出一種電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備，可實現(xiàn)線型、幾何形狀、字母、軌跡和方向變化信息，為假肢用戶提供全面的觸覺體驗，如圖27所示。2017年，Kaczmarek等[54]在現(xiàn)有電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備上探究驅(qū)動信號頻率和刺激電流在再現(xiàn)觸感時的相互作用，證明刺激電流越大信號頻率的感知范圍越大，信號頻率越高刺激電流的感知效果越好。此外，電刺激式表面觸覺再現(xiàn)觸感可通過兩維度的模型表示，其中感知頻率和信號頻率、感知強度和刺激電流之間存在強對應關系。

圖23 電觸覺替代視覺系統(tǒng)[49]Fig.23 ETVSS[49]

圖24 Kajimoto表面觸覺再現(xiàn)設備結(jié)構(gòu)[50]Fig.24 Structure of surface tactile representation device by Kajimoto[50]

圖25 電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備[51]Fig.25 Electrotactile surface tactile representation device[51]

圖26 改進的電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設備[52] Fig.26 Improved electrotactile device[52]

圖27 電子皮膚和電刺激陣列設備[53]Fig.27 E-skin and electrode array device[53]

1.6 組合表面觸覺再現(xiàn)設備

Giraud等[55]提出，當振動底層是導電材料時，基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設備和基于壓膜效應的表面觸覺再現(xiàn)設備可以相結(jié)合，并以STIMTAC設備為載體研制出組合式表面觸覺再現(xiàn)設備，如圖28所示。該設備利用空氣壓膜效應減小摩擦系數(shù)，利用靜電吸引力增大摩擦力，合力效果如下：

Ft=(μ0-Δμ)(Fp+fe)

(6)

式中：Ft為手指感知到的合力；μ0為設備初始摩擦系數(shù)；Δμ為空氣壓膜效應產(chǎn)生的摩擦系數(shù)的改變；Fp為手指壓力，fe為靜電吸引力。

組合式表面觸覺再現(xiàn)設備利用2種原理拓寬觸覺再現(xiàn)力的調(diào)節(jié)范圍，可實現(xiàn)更為豐富的觸覺再現(xiàn)效果，但2種原理之間是否相互干擾尚不明確。2015年，Giraud團隊的Vezzoli等[56]針對上述問題，通過仿真和實驗2種方法證明2種技術間的干擾對操作者觸覺感知效果影響較小，肯定了組合式表面觸覺再現(xiàn)設備的有效性。

Yang[57]將繩動表面觸覺再現(xiàn)設備FingViewer-I與基于壓膜效應的表面觸覺再現(xiàn)設備STIMTAC相結(jié)合，利用FingViewer-I力反饋設備實現(xiàn)形狀再現(xiàn)，輸出力在0.3～1.2 N之間；利用STIMTAC觸覺反饋設備實現(xiàn)紋理再現(xiàn)，振動板以52.2 kHz高頻振動可產(chǎn)生0.2 N的反饋力。系統(tǒng)通過激勵信號控制繩動張力和表面摩擦力，再現(xiàn)觸覺感知，設備樣機及控制流程如圖29所示。力反饋設備的加入明顯改善了表面觸覺再現(xiàn)設備感知強度微弱的問題，增加觸覺的調(diào)節(jié)范圍，有效增強觸覺真實性，拓寬了表面觸覺再現(xiàn)技術的應用領域，但設備存在一定程度的空間差異，影響感知精度，且繩動表面觸覺再現(xiàn)設備需佩戴指環(huán)，限制了設備的自然交互，使用戶體驗下降。

圖28 組合表面觸覺再現(xiàn)設備實驗裝置[55]Fig.28 Combination surface tactile representation devices[55]

圖29 集成表面觸覺再現(xiàn)設備[57]Fig.29 Integrated surface tactile representation device[57]

2 表面觸覺再現(xiàn)設備性能評估

由于表面觸覺再現(xiàn)原理多樣，性能受多種因素影響，導致表面觸覺再現(xiàn)設備的評價指標層出不窮，很多評價指標無法直接量化，難以形成有效的量化評估標準。在上述研究基礎上，本文使用制造難度、工作區(qū)間、可調(diào)范圍、感知強度、功率損耗、再現(xiàn)效果和用戶體驗7種性能評價指標對表面觸覺再現(xiàn)設備進行評價，綜合運用專家打分法和層次分析法獲得振動式、壓力式、壓膜式和靜電力式表面觸覺再現(xiàn)設備在7種評價指標下的性能優(yōu)劣。此外，本文使用所提方法對4種設備在多媒體終端應用中的性能優(yōu)劣進行排序，為其他領域提供參考范例。

2.1 綜合評價方法

專家打分法亦稱為德爾斐法[58]，需要通過匿名方式征詢有關專家的意見，對專家意見進行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，從而做出合理的評價。該方法可將量化指標和非量化指標結(jié)合評價，根據(jù)具體評價對象確定恰當?shù)脑u價項目并制定評價等級和標準，每個等級標準以打分形式體現(xiàn)，具有原理清晰、計算簡單、評價準確等優(yōu)勢。層次分析法[59]將定性方法與定量方法有機結(jié)合，將人的思維過程數(shù)學化和系統(tǒng)化，將多目標、多準則、難以全部量化處理的決策問題化為多層次單目標問題，從而獲得科學有效的決策。2種方法均能有效評價表面觸覺再現(xiàn)技術中難以直接量化的各項指標，具有重要意義。該評價方法主要包括3個步驟：遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立、判斷矩陣的構(gòu)造、單一準則下相對權重的計算，下面將對這3個步驟進行具體介紹。

2.2 遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立

為綜合評價表面觸覺再現(xiàn)設備在某領域的性能，需首先通過信息搜集和專家咨詢在該領域建立設備性能的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖30所示。A表示目標層，是表面觸覺再現(xiàn)設備在某領域的性能；B表示準則層，Bk為影響A的性能指標評價因子；C表示方案層，是需要評價的設備種類。綜合現(xiàn)有設備的性能評價方式，本文提出7種性能指標評價因子，以期能夠全面評價4種設備在某領域的性能：制造難度、工作區(qū)間、可調(diào)范圍、感知強度、功率損耗、再現(xiàn)效果、用戶體驗。制造難度指設備制造工序的復雜程度，制造所需的時間和精準度，該指標主要為設備的實用性和商業(yè)化前景提供參考。工作區(qū)間指設備有效反饋觸覺的面積，即用戶在操作中能夠感知到觸覺的最大區(qū)域?？烧{(diào)范圍指設備可變參量的調(diào)節(jié)范圍，即設備觸感再現(xiàn)的豐富程度。感知強度指設備再現(xiàn)的觸感強弱，即用戶觸摸到設備后產(chǎn)生的皮膚形變程度?？烧{(diào)范圍與感知強度間并無聯(lián)系，某些設備雖然能再現(xiàn)多種觸感，但感知強度普遍較弱，某些設備雖然感知強度大，但再現(xiàn)的觸感單一。功率損耗為設備的觸覺再現(xiàn)效果提供客觀性評價，指電源轉(zhuǎn)化過程中損失的功耗。再現(xiàn)效果和用戶體驗為設備的觸覺感知效果提供主觀性評價。再現(xiàn)效果指設備再現(xiàn)真實感，即設備呈現(xiàn)的觸感是否真實自然。用戶體驗指用戶對于正在使用的設備的認知印象和回應，通俗來講就是“該設備觸摸起來是否舒適”。

圖30 設備性能評價的遞階層次結(jié)構(gòu)模型Fig.30 Hierarchical structure model for device performance evaluation

2.3 判斷矩陣的構(gòu)造

為分析4種表面觸覺再現(xiàn)設備的7種性能，構(gòu)造7×7的設備性能成對判斷矩陣X和4×4的指標評價因子判斷矩陣Yk(1≤k≤7)。

X=(Bij) 1≤i≤7,1≤j≤7

(7)

Yk=(Cij) 1≤i≤4,1≤j≤4

(8)

式中：Yk為指標Bk的評價因子判斷矩陣；Bij為評價因子Bi與Bj對設備性能的重要性之比；Cij為某指標評價因子對表面觸覺再現(xiàn)設備Ci與Cj的重要性之比。

Saaty[60]提出用1～9這9個數(shù)字及其倒數(shù)作為標度來確定Bij和Cij的值，每個數(shù)字標度對應的含義如表1所示。

為獲得4種設備在7種性能評價指標方面的性能優(yōu)劣，首先計算7種評價指標對4種設備性能的影響權重，為設備的客觀物理評價及應用選擇提供參考。此外，將所提的評價方法應用于多媒體終端領域，通過計算4種設備在7種評價指標下的合成權重，獲得4種設備在多媒體終端應用中的性能優(yōu)劣。根據(jù)圖30所述的設備性能評價層次結(jié)構(gòu)模型和表1所述的Saaty法判斷矩陣標度，制作性能評價打分表，邀請3名表面觸覺再現(xiàn)領域的專家對本模型各評價因子進行打分，并根據(jù)專家從事表面觸覺再現(xiàn)領域的年限對其打分結(jié)果進行加權平均，最終可得到專家的設備性能成對判斷矩陣Xm=[X1,X2,X3]和指標評價因子判斷矩陣Ymk=[Y1k,Y2k,Y3k]，Xm和Ymk表示第m名專家的打分結(jié)果。為保證評價結(jié)果的準確性和可信性，本文所選專家均在表面觸覺再現(xiàn)領域具有較為深入的研究，參與或承擔過表面觸覺再現(xiàn)方向的重要科研項目。在專家打分前，筆者向?qū)＜页浞终f明該遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立方法和打分方式，并介紹Saaty法判斷矩陣標度的使用方法。

表1 判斷矩陣標度及其含義[60]

2.4 單一準則下相對權重的計算

通過計算專家的設備性能成對判斷矩陣Xm和指標評價因子判斷矩陣Ymk的最大特征根和特征向量，可得到設備的性能權重。所得判斷矩陣計算方法均相同，為簡化表述，令A代表任一判斷矩陣，則Aij為A的第i行第j列元素，表示因素i與因素j對A的重要性之比，由專家打分獲得，計算步驟如下[61]：

(9)

(10)

步驟3將A″正規(guī)化，得權重向量W，其中Wi為W的第i行元素：

(11)

步驟4計算判斷矩陣A的最大特征值λmax并進行一致性檢驗，計算方法如下：

(12)

(13)

式中：(AW)i為判斷矩陣和權重向量相乘后所得列向量的第i個分量；CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標，由多次隨機判斷矩陣重復計算獲得，如表2所示[62]；CR為一致性判斷依據(jù)，當CR<0.1時,認為判斷矩陣的不一致程度在允許范圍，可使用W作為權向量進行后續(xù)計算。

步驟5將準則層和方案層的權重向量合成，計算目標層的合成權重，并對各權重進行排序和一致性檢驗，得到各種表面觸覺再現(xiàn)設備的總體性能排序。

2.5 計算結(jié)果及綜合分析

根據(jù)2.4節(jié)所述方法對準則層和方案層的權重向量進行計算，并對目標層的權重向量進行合成，得到表面觸覺再現(xiàn)設備的各項性能指標權重及在多媒體移動終端應用中的總體性能評價，計算結(jié)果如表3～表10所示。

對目標層的總權重向量進行一致性檢驗，可得CR=0.057 9<0.1，滿足一致性條件。

表2 平均隨機一致性指標[62]

表3 表面觸覺再現(xiàn)設備的制造難度權重

表4 表面觸覺再現(xiàn)設備的工作區(qū)間權重

表5 表面觸覺再現(xiàn)設備的可調(diào)范圍權重

表6 表面觸覺再現(xiàn)設備的感知強度權重

表7 表面觸覺再現(xiàn)設備的功率損耗權重

表8 表面觸覺再現(xiàn)設備的再現(xiàn)效果權重

表9 表面觸覺再現(xiàn)設備的用戶體驗權重

表10 準則層和方案層對目標層的合成權重

由表3～表9可得，4種表面觸覺再現(xiàn)設備在7種性能評價指標方面各有利弊。振動式表面觸覺再現(xiàn)設備在制造難度、工作區(qū)間和感知強度方面具有優(yōu)勢，但可調(diào)范圍和再現(xiàn)效果不佳；靜電力式表面觸覺再現(xiàn)設備在可調(diào)范圍、功率損耗、再現(xiàn)效果和用戶體驗方面具有優(yōu)勢，但感知強度較弱；壓力式表面觸覺再現(xiàn)設備的制造難度、工作區(qū)間和用戶體驗差；壓膜式表面觸覺再現(xiàn)設備的功率損耗較大。由于不同應用領域所需性能差異較大，得到的設備優(yōu)劣也各不相同，不宜采用統(tǒng)一的評價尺度進行判斷。本文所提的7種性能評價指標和評價方法能夠幫助各領域研究者整合所需參數(shù)，提高評價的有效性。

表10給出了準則層和方案層對目標層的合成權重，第一列1×7個權值為準則層權值，第2～5列4×7個權值為4種設備的方案層權值，合成權重為準則層權值分別對方案層權值進行加權求和而得。由表10可得，4種表面觸覺再現(xiàn)設備在多媒體終端應用中的性能優(yōu)劣排序由高到低為：靜電力式、壓膜式、壓力式、振動式，其中基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設備具有較高的研究意義和價值，而振動式表面觸覺再現(xiàn)設備雖為目前最為常見的表面觸覺再現(xiàn)設備，在多媒體終端上的集成化和市場化程度高，但因內(nèi)在物理結(jié)構(gòu)的限制，導致其只能產(chǎn)生離散化的觸覺感知，真實感較差，發(fā)展空間有限。

綜上所述，各種表面觸覺再現(xiàn)設備在多媒體終端應用上均存在自身優(yōu)勢和不足，在實際應用中，操作者應合理選擇表面觸覺再現(xiàn)方法，根據(jù)不同需求和環(huán)境選擇適合的表面觸覺再現(xiàn)設備。總體而言，相比振動式表面觸覺再現(xiàn)設備和壓力式表面觸覺再現(xiàn)設備產(chǎn)生的離散化觸覺感知效果，基于壓膜效應的表面觸覺再現(xiàn)設備和基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設備可再現(xiàn)連續(xù)細膩的紋理觸覺，與人體皮膚的感知特性相符，具有較大的發(fā)展前景，是現(xiàn)階段國內(nèi)外研究重點和熱點。其中，基于壓膜效應的表面觸覺再現(xiàn)設備適合再現(xiàn)剛度信息和表面輪廓信息，而基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設備則適合產(chǎn)生較為柔軟和精細的紋理信息。

3 問題與展望

近年來，表面觸覺再現(xiàn)技術發(fā)展迅速，是電子產(chǎn)業(yè)變革和發(fā)展的重要推動力，但是目前絕大多數(shù)表面觸覺再現(xiàn)設備仍停留在研究階段，難以應用于實際，主要難點集中在以下4個方面：

1) 精確性。人體觸覺感知系統(tǒng)復雜，感知能力強，可以感知細微的表面變化，感知機理具有連續(xù)性和非局部性，而現(xiàn)有設備的觸覺分辨率和呈現(xiàn)維度低，無法做到精確渲染再現(xiàn)。

2) 實時性。由于多媒體移動終端的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部處理器計算性能及數(shù)據(jù)傳輸能力等方面的限制，現(xiàn)有表面觸覺再現(xiàn)設備只能實現(xiàn)靜態(tài)圖片的觸覺特征提取，圖片紋理復雜時會產(chǎn)生延遲現(xiàn)象，更無法實現(xiàn)高清圖像、高清視頻和3D視頻的觸覺再現(xiàn)特征提取和渲染。

3) 便捷性?，F(xiàn)有表面觸覺再現(xiàn)設備體積過大，與多媒體移動終端的集成度較差，不能滿足終端應用所必需的低成本、低功耗、小型化等要求，難以實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)和應用。

4) 量化性。人體認知能力受情感、年齡等多種因素影響，個體差異程度較為明顯，難以對人體的觸覺感知進行準確測量、量化和評價。

綜上所述，未來表面觸覺再現(xiàn)設備的研究應從以下幾個方面著手：

1) 表面觸覺再現(xiàn)方式。研究多種觸覺虛擬替代技術的融合方法，以實現(xiàn)更加豐富和自然的觸覺反饋效果，提高表面觸覺再現(xiàn)精確性。

2) 觸覺渲染算法。研究復雜度低、計算量小的觸覺特征提取和渲染算法，實現(xiàn)多媒體內(nèi)容的快速精確提取和自然真實渲染，解決表面觸覺再現(xiàn)實時性問題。

3) 材料和加工。結(jié)合先進的加工技術，采用各種新型材料，設計集成化和小型化程度更高，觸覺質(zhì)感更真實的表面觸覺再現(xiàn)設備，實現(xiàn)表面觸覺再現(xiàn)的便捷性。

4) 評價體系。從心理物理學定性評價和表面觸覺再現(xiàn)測量定量評價兩方面著手，設計精確合理的評測實驗，搭建完善的測量平臺，形成系統(tǒng)的觸覺真實感評測體系，解決表面觸覺再現(xiàn)的量化性問題。

4 結(jié) 論

1) 本文將表面觸覺再現(xiàn)設備劃分為振動式、壓力式、壓膜式、靜電力式和電刺激式，重點介紹了5種設備的實現(xiàn)原理、關鍵技術和性能指標，并對設備的優(yōu)缺點進行分析和總結(jié)，主要如下：

① 振動式表面觸覺再現(xiàn)設備再現(xiàn)區(qū)間大，觸感強烈，但振動過程會產(chǎn)生較大的功率損耗，且觸覺反饋形式較為單一，只能提供簡單的振動信息。

② 壓力式表面觸覺再現(xiàn)設備安全性高，用戶體驗良好，但存在氣體外泄等不可控因素，制造工藝較為復雜，加工難度較大，難以實現(xiàn)大范圍連續(xù)細膩的觸感。

③ 基于壓膜效應的表面觸覺再現(xiàn)設備工作區(qū)間大，制造工藝簡單，可實現(xiàn)較為連續(xù)的再現(xiàn)效果，但設備功耗較大。

④ 基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設備無噪聲、低功耗、質(zhì)量輕、使用便捷，適合應用于現(xiàn)有多媒體終端上，具有廣闊的應用前景，但無法實現(xiàn)靜態(tài)條件下的觸覺呈現(xiàn)，對溫濕度等環(huán)境條件較為敏感。

2) 本文提出一種表面觸覺再現(xiàn)技術的評估方法，采用專家打分法和層次分析法，從制造難度等7個方面對4種再現(xiàn)技術進行綜合評價，有效提高了評價的可靠性，對設計和優(yōu)化表面觸覺再現(xiàn)設備具有重要的意義。經(jīng)過評估，得到4種表面觸覺再現(xiàn)設備在多媒體終端應用領域的性能排序由高到低為：靜電力式、壓膜式、壓力式、振動式。