王韞，何麗雯，王黨校

智能家居中的觸覺交互體驗(yàn)

王韞1a,2，何麗雯1a，王黨校1

（1.北京航空航天大學(xué) a.機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 b.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.清華大學(xué) a.美術(shù)學(xué)院 b.未來實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

觸覺是人類主動(dòng)感知和響應(yīng)外部世界及其他個(gè)體最直接、關(guān)鍵的感官渠道，近年已成為交互設(shè)計(jì)和用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)主題。由于觸覺感知維度多、傳感和驅(qū)動(dòng)技術(shù)多樣化，以及家居環(huán)境中已存在諸多天然觸覺反饋等原因，觸覺交互在智能家居場(chǎng)景中仍沒有得到充分利用。在智能家居系統(tǒng)逐步普及的今天，觸覺交互有助于智能設(shè)備更自然地融入用戶熟悉的日常生活場(chǎng)景中，優(yōu)化用戶體驗(yàn)?；谥悄芗揖幼匀唤换サ膬?nèi)涵和發(fā)展趨勢(shì)，論述了觸覺的自然性優(yōu)勢(shì)和觸覺交互技術(shù)的現(xiàn)狀，確定了家居情境下的觸覺交互界面的應(yīng)用基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)框架。通過大量案例調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以辨別功能為主的觸覺交互可以在智能家居的控制、監(jiān)測(cè)、安全和提示場(chǎng)景中降低成本、提高操作效率、交互自然性和用戶舒適度，保留用戶熟悉的家居樣式和與之相關(guān)的生活方式，優(yōu)化用戶的智能生活體驗(yàn)；同時(shí)，觸覺交互還可以在感官增強(qiáng)、情感溝通、多模態(tài)媒體等方面提出新方案和新設(shè)備，發(fā)揮觸覺獨(dú)特的情感承載能力，為用戶拓展智能家居的沉浸體驗(yàn)。此外，列舉了一系列助力設(shè)計(jì)師搭建觸覺交互體驗(yàn)的設(shè)計(jì)工具。

智能家居；觸覺交互；觸覺體驗(yàn)；觸覺界面；可觸家居表面

隨著傳感技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，如今智能家居逐步演變?yōu)楸淮蟊姀V泛認(rèn)知的多種技術(shù)、設(shè)備和服務(wù)等子系統(tǒng)的有機(jī)組合[1]。從技術(shù)性角度而言，智能家居系統(tǒng)的兩大主要目標(biāo)是提供生活方式的支持和優(yōu)化能源管理，強(qiáng)調(diào)其功能性和工具性。系統(tǒng)中互聯(lián)的設(shè)備可被監(jiān)測(cè)、訪問或遠(yuǎn)程控制，以針對(duì)不同的用戶需求提供支持、協(xié)助、預(yù)測(cè)及響應(yīng)[2]。而從社會(huì)性視角來看，技術(shù)不一定以預(yù)想的方式被實(shí)際使用，因?yàn)檎嬲募彝ド钍恰坝袡C(jī)、取巧和即興的[3]”。智能家居系統(tǒng)當(dāng)前所面臨的核心挑戰(zhàn)，除了在系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和安全性等指標(biāo)上的優(yōu)化，還需要使技術(shù)融入“充滿情感和動(dòng)態(tài)”的真實(shí)家庭環(huán)境中[4]，與用戶日常生活的不確定性和差異性相結(jié)合[5]。這意味著以用戶為中心、更加自然的感知和反饋方式，以及更加豐富的情感互動(dòng)，是設(shè)計(jì)師需要著重關(guān)注的研究方向。

觸覺是人與外部世界交流的重要感官媒介，用戶的觸覺體驗(yàn)對(duì)于人機(jī)交互系統(tǒng)中“自然性”的營(yíng)造和增強(qiáng)有著不可替代的作用[6]。觸覺技術(shù)是一種利用人體觸覺的交互界面技術(shù)，主要包括觸覺傳感器和驅(qū)動(dòng)器。隨著自然人機(jī)交互理念和虛實(shí)融合環(huán)境的普及，觸覺交互近年已成為人機(jī)交互的熱點(diǎn)領(lǐng)域。本文首先確立了觸覺界面在智能家居場(chǎng)景中的應(yīng)用基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)框架，并通過案例調(diào)研，探討了用戶通過觸覺與智能家居設(shè)備進(jìn)行交互時(shí)的體驗(yàn)優(yōu)化和拓展。

1 智能家居自然化

1.1 智能家居的研究趨勢(shì)

房屋和房屋內(nèi)的物品構(gòu)成了家的物質(zhì)環(huán)境，但并不是家的本質(zhì)。家的核心概念不是場(chǎng)所，而是與環(huán)境建立意義關(guān)系的原則，是隨著時(shí)間變化的一種空間組織形式，囊括了人、物、活動(dòng)和意義[7-8]。智能家居通常被理解為居家環(huán)境中互聯(lián)的自動(dòng)化、智能化設(shè)備的集合，其重要目標(biāo)之一是幫助用戶獲得有關(guān)其家庭環(huán)境的重要信息，為他們提供決策支持和知情選擇[9]。然而，如果不能與家的概念內(nèi)涵深度融合，智能家居從技術(shù)意義上講可能只是提供便利或提升效率，并不一定舒適、安全和令人愉快[10]。用戶（特別是老年人用戶）對(duì)技術(shù)的接受度[11]也逐漸成為研究焦點(diǎn)之一。用戶無法接受智能家居產(chǎn)品的因素有很多，比如技術(shù)不適應(yīng)現(xiàn)有環(huán)境并強(qiáng)制用戶改變生活方式和行為[12]、系統(tǒng)的低反饋導(dǎo)致用戶失去對(duì)技術(shù)的掌控感等[3]。智能家居應(yīng)作為一個(gè)情境感知學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過與日常生活中物品和環(huán)境的自然結(jié)合，提供新的機(jī)會(huì)和體驗(yàn)，而不是限制人們?nèi)绾伟才偶彝ド頪13]。

因此，為了更好地解決日常生活中的不確定性問題，越來越多研究者的關(guān)注點(diǎn)從對(duì)設(shè)備的控制，逐步轉(zhuǎn)向?yàn)槔斫庥脩舻囊鈭D和情緒、優(yōu)化系統(tǒng)的上下文感知[14]，為用戶提供定制化服務(wù)[3]，使智能家居成為普適計(jì)算的重要應(yīng)用。這便要求系統(tǒng)使用多樣化的自然交互界面，基于用戶的日常行為來感知其生理和心理狀態(tài)，并給予用戶舒適的多模態(tài)反饋。

1.2 皮膚觸覺與動(dòng)覺

相對(duì)于以接收信息為主的視聽覺，觸覺是人最重要的主動(dòng)感覺。人類通過動(dòng)態(tài)地接觸或操縱對(duì)象來獲得其物理特征信息[15]。人類皮膚包含了機(jī)械感受器、熱感受器、本體感受器等多種觸覺受體，見表1。根據(jù)受體的不同，觸覺主要可被分為以下2種。第1種是皮膚觸覺（Cutaneous Haptics）[16]，指人體通過皮膚所感知的信息，主要由振動(dòng)、壓力、橫向拉伸，以及相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)這4種基礎(chǔ)的機(jī)械刺激要素組合而成。對(duì)溫度等其他非機(jī)械信息的感知?jiǎng)t可以參與材料識(shí)別等更復(fù)雜的任務(wù)。皮膚傳感器的性能與它們所覆蓋的身體部位息息相關(guān)，通過兩點(diǎn)辨別閾限測(cè)試可以測(cè)量出皮膚觸覺的空間分辨率，見圖1。人類隨時(shí)隨地都使用手部對(duì)日常物品進(jìn)行操作，表2顯示了手部主要的基礎(chǔ)觸覺能力數(shù)據(jù)，其中指尖的靈敏度和分辨率最高。-第2種觸覺被稱為動(dòng)覺或本體覺（Kinesthetic Haptics）[16]，它與對(duì)身體部位的位置和運(yùn)動(dòng)，以及施加在身體的力和力矩的感知有關(guān)，比如感知手指、關(guān)節(jié)和四肢的運(yùn)動(dòng)和位置。這類觸覺還可以被分為手部動(dòng)覺和全身動(dòng)覺。

表1 人體觸覺的常見機(jī)械感受器及其感覺模態(tài)[20]

Tab.1 Common human mechanoreceptors and their corresponding sensory modes[20]

圖1 身體主要部位的觸覺兩點(diǎn)辨別閾值

表2 手部主要觸覺能力[15]

Tab.2 Main parameters of perception at the human hand [15]

觸覺不同于其他感覺通道的獨(dú)特性在于其同時(shí)存在輸入（感知）和輸出（操作）的雙重作用[17]，因而具有強(qiáng)烈的即時(shí)感[18]。身體既是觸覺感覺器官的支架，也是介導(dǎo)感知和動(dòng)作耦合的媒介，主動(dòng)觸摸（Active Touch）、觸覺探索（Haptic Exploration）都依賴于人體感官和運(yùn)動(dòng)能力的整合[19]。

1.3 觸覺的自然性

人類幾乎所有的活動(dòng)都涉及手與工具、物體或環(huán)境的精細(xì)觸覺交互。觸摸可以被視為一種從近端、即時(shí)性的信息中獲取環(huán)境物理特征的機(jī)制[21]，這些信息會(huì)直接影響人類接近和處理對(duì)象的方式。同時(shí)，觸覺不僅是辨別性的，還具備承載情感的能力[22]。人們觸摸的目的有很多，比如探究一個(gè)物體的狀態(tài)或材質(zhì)，傳達(dá)一條非語(yǔ)言類的信息等；也可以是享受審美上的愉悅或舒適，緩解緊張，或通過身體上的連接與其他個(gè)體建立情感聯(lián)系[23]。觸覺在人與物之間是私人化的，而在人與人之間則是社交化的。觸覺的多樣性使其適用于低注意力的多任務(wù)環(huán)境[24-25]，有助于人們?cè)谌粘Ｉ钪休p松地處理很多復(fù)雜信息。

在與智能產(chǎn)品互動(dòng)的過程中，用戶操作物品及物品給予反饋的方式越接近真實(shí)生活中的情況，且對(duì)用戶原本生活干擾得越少，交互便越自然。觸覺在人類日常環(huán)境感知、互動(dòng)意圖表達(dá)和情感傳遞中起到關(guān)鍵性的作用，在感官營(yíng)銷和產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域已有豐富的研究應(yīng)用[26]，但在人機(jī)交互界面中卻沒有得到充分利用[16,18]。隨著交互界面對(duì)于信息傳遞的要求越來越高，原先以視聽覺交互為主的人機(jī)交互方式的局限性越來越突出，比如顯示設(shè)備空間有限、容易信息過載、缺乏具身互動(dòng)等[27-28]，因而觸覺交互具有較高的研究和應(yīng)用潛力[29]。觸覺設(shè)備可以無縫集成到用戶的日常環(huán)境中[30]，使用戶能夠以一種自然而私密的方式感知周圍環(huán)境并與之互動(dòng)[31]；在消耗較少認(rèn)知資源的前提下接受多種類型的信息[27]，提高對(duì)環(huán)境認(rèn)知和操作的效率[32]；也可以為交流帶來更多的豐富性和沉浸感，提升用戶的參與體驗(yàn)[33]。特別是可穿戴觸覺和柔性觸覺設(shè)備，能夠以一種干擾小、非侵入性的、容易為用戶所接受的方式獲取用戶的身體數(shù)據(jù)[34]。

2 觸覺交互技術(shù)

觸覺交互技術(shù)主要分為以測(cè)量人體觸覺信息為主的傳感技術(shù)和以向人體呈現(xiàn)觸覺信息的顯示和反饋技術(shù)，見圖2。

圖2 觸覺人機(jī)交互模型

2.1 觸覺傳感

常見的觸覺輸入設(shè)備主要用于測(cè)量用戶在觸摸敏感表面上施加的力，以便讓系統(tǒng)得知用戶的操作意圖，比如物理按鈕、電容觸摸屏或觸控板[16]。這些設(shè)備依賴于用戶指尖的主動(dòng)按壓或者滑動(dòng)來進(jìn)行類似鼠標(biāo)的操作，所能收集的用戶觸覺信息比較單一、簡(jiǎn)單。當(dāng)前的觸覺輸入技術(shù)正逐漸向全身化、多維度發(fā)展，旨在針對(duì)居家環(huán)境內(nèi)日常監(jiān)測(cè)的需求提供低成本、低耗能、更精準(zhǔn)穩(wěn)定的解決方案。基于觸覺的生物識(shí)別系統(tǒng)可以測(cè)量身體不同部位的位置、速度和力，從而開發(fā)出用于識(shí)別的獨(dú)特物理模式[35]，私密性和安全性都較高。其中，薄膜皮膚形態(tài)的觸覺傳感器可分為剛性薄膜皮膚和柔性薄膜皮膚（又稱電子皮膚），前者主要貼附于各類剛性平面，后者主要貼附在曲面，以獲取人手作用時(shí)的刺激信號(hào)或者機(jī)器設(shè)備的觸覺激勵(lì)[36]。

2.2 觸覺顯示和反饋

當(dāng)用戶在與交互對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)時(shí)，需要觸覺顯示器和驅(qū)動(dòng)技術(shù)給予觸覺反饋，以幫助用戶確認(rèn)操作狀態(tài)，建立控制反饋回路[37]。與顯示器和音響設(shè)備等傳統(tǒng)視聽反饋界面不同，觸覺設(shè)備通過施加力、振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)這些機(jī)械信號(hào)，或者主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的溫度刺激、形狀模擬和紋理模擬來刺激人的觸覺通道。

不同領(lǐng)域在觸覺輸出的研究上有不同的側(cè)重點(diǎn)。計(jì)算機(jī)觸覺專注于開發(fā)算法和軟件來模擬和渲染觸覺刺激，觸覺生成（Tactile Rendering）和力覺生成（Force Rendering）與皮膚觸覺和動(dòng)覺相對(duì)應(yīng)[38]。機(jī)器觸覺由機(jī)械裝置組成，可以對(duì)用戶施以振動(dòng)、力反饋等機(jī)械刺激，主要維度包括自由度和刷新率[39]。手和手指上的觸覺反饋通常采用皮膚觸覺和動(dòng)覺結(jié)合的指套或手套形式。全身觸覺則通過使用外骨骼或者接地動(dòng)覺反饋裝置控制身體運(yùn)動(dòng)或增強(qiáng)其力量和速度，主要提供動(dòng)覺反饋和協(xié)助，而不是細(xì)微的皮膚觸覺反饋[16]。軟物質(zhì)設(shè)備則可以利用可變剛度材料和柔性、輕質(zhì)致動(dòng)器、應(yīng)變傳感及熱反饋等與人體生理學(xué)更緊密聯(lián)系的驅(qū)動(dòng)模式來產(chǎn)生觸覺反饋[16]。目前常見的驅(qū)動(dòng)技術(shù)包括電磁、靜電、介電彈性體（DEA）、壓電、氣動(dòng)、流變液和形狀記憶合金等，不同的技術(shù)在觸覺顯示的精度、功率、驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)速度、便攜性上都各自具有優(yōu)缺點(diǎn)[40-41]。此外，多媒體觸覺，也稱為“觸覺視聽環(huán)境（Haptic Audio Visual Environment，簡(jiǎn)稱HAVE）”，則主要處理觸覺數(shù)據(jù)和其他類型的媒體的感知協(xié)調(diào)性能[35]，多感官的跨模態(tài)感知可以用來增強(qiáng)或改善觸覺反饋效果[42]。

3 智能家居中的觸覺界面

3.1 適用于家居環(huán)境的觸覺技術(shù)辨析

由于觸覺本身的多維特征，廣義的觸覺交互范疇較大，觸覺技術(shù)手段眾多。由于穩(wěn)定性、小型化、自供電等問題尚待優(yōu)化，諸多技術(shù)仍處在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，產(chǎn)品化的案例較少。如何快速定位適宜的技術(shù)并將之自然地嵌入到用戶的日常生活中，是家居環(huán)境中觸覺界面設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)之一?；谟脩艟蛹一顒?dòng)中的觸覺感知部位和交互模式，通過辨析廣義觸覺交互中不同技術(shù)的居家適用性，可以確定一些基本篩選原則。具體包括以下3個(gè)方面。

1）可穿戴皮膚觸覺交互?？纱┐魃肀O(jiān)測(cè)設(shè)備一直是個(gè)性化和居家健康應(yīng)用的熱門領(lǐng)域，非侵入性皮膚生物化學(xué)傳感器利用人體皮膚作為交互表面[39]，通過測(cè)量皮膚表面的生物標(biāo)記物，來洞察用戶的健康狀況或進(jìn)行慢性病管理[16]。-這類設(shè)備雖然直接與皮膚接觸，但通常并不屬于觸覺交互設(shè)備的范疇，因?yàn)槠鋫鞲械男畔⑼皇腔跈C(jī)械刺激的。而通過皮膚觸覺進(jìn)行信息傳感的柔性可穿戴觸覺設(shè)備（比如功能織物），可以應(yīng)用于可穿戴智能服裝或者柔性家居表面，給予用戶新的觸覺界面來控制其他智能設(shè)備或者采集與身體相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，還可以對(duì)特定皮膚區(qū)域提供有針對(duì)性、獨(dú)立的觸覺提示和反饋[40]。

2）接觸式動(dòng)覺傳感。除皮膚觸覺交互外，廣義的觸覺交互也囊括了以非接觸式的動(dòng)覺輸入為主的手勢(shì)或體感交互和以動(dòng)覺協(xié)助為主的外骨骼或接地設(shè)備。其中，大型觸覺反饋設(shè)備在功能、體量、操作難度上都不適合于家庭場(chǎng)景。在實(shí)際的家居場(chǎng)景中，手部操作以精細(xì)動(dòng)作為主，且居家生活空間有限，較大幅度的手勢(shì)或體感控制并不是自然、便捷的交互方式，不容易被用戶接受[43]。而基于家居物品和環(huán)境表面的接觸式動(dòng)覺傳感，比如步態(tài)監(jiān)測(cè)，可以構(gòu)建一種壓力敏感型的智能交互環(huán)境[44]，避免對(duì)用戶的日常生活造成干擾。因此，通過與身體直接接觸來進(jìn)行自然化交互的觸覺設(shè)備更加適用于家居環(huán)境。

3）動(dòng)態(tài)觸覺反饋。實(shí)體用戶界面（Tangible User Interface，簡(jiǎn)稱TUI）[45]也通常被認(rèn)為是廣義的觸覺交互界面。TUI基于Gibson對(duì)于“主動(dòng)接觸（Active Touch）[46]”的表述，關(guān)注用戶通過手部與各類實(shí)物對(duì)象表面的直接接觸和操作中的自然行為來實(shí)現(xiàn)信息與物理實(shí)體的耦合。雖然TUI采用了接觸式的動(dòng)覺輸入，但通常提供非觸覺的動(dòng)態(tài)反饋（比如投影屏幕），適用于辦公、教育、創(chuàng)作等需要較高的注意力水平的任務(wù)情境，并不屬于典型的家居環(huán)境觸覺交互方式。在智能家居環(huán)境中的觸覺輸出設(shè)備需要充分利用用戶觸覺通道的優(yōu)勢(shì)，制定連續(xù)、動(dòng)態(tài)、響應(yīng)式的觸覺反饋策略，更好地滿足用戶非任務(wù)式的需求，比如情感交流、娛樂等。

3.2 可觸家居表面作為交互載體

觸覺交互體驗(yàn)的營(yíng)造需要與家居環(huán)境特點(diǎn)緊密結(jié)合。除了觸覺感官本身的自然性優(yōu)勢(shì)以外，皮膚觸覺、尤其是指尖觸覺對(duì)材料屬性（紋理、柔度、熱和重量）相關(guān)的感知和區(qū)分上也格外敏感[47]。居家場(chǎng)景中天然存在大量不同材質(zhì)的可觸表面，涵蓋豐富的觸覺信息和語(yǔ)義，作用于人們的無意識(shí)過程，比如墻體、地板、家具、紡織品、紙制品等。表面界定了觸覺有效訪問的區(qū)域，對(duì)感知效果起關(guān)鍵作用[48]。觸覺交互技術(shù)的應(yīng)用可以將各類表面轉(zhuǎn)化為一種“主動(dòng)材料（Active Material）[49]”，有效拓展可交互表面的面積及分布（見圖3）。MacLean提出了“泛在觸覺（Ambient Haptic）[27]”的概念，使通常不在用戶注意力中心的物品成為一種溫和又豐富的環(huán)境交互界面。

圖3 智能家居中的可觸表面示意

多場(chǎng)景、多材質(zhì)的可觸表面為交互模式的豐富提供了新的可能性。Taylor等[50]認(rèn)為家中的各類表面是將居住者的生活智慧進(jìn)行編組、展示和利用的地方，通過調(diào)查某些表面如何適合某些形式的顯示和交互，可以制定“家庭表面混合體”的信息任務(wù)策略。Tigwell等[51]將用戶與不同的家居表面材料的觸覺信息互動(dòng)稱為“家居表面交互（Household Surface Interaction，簡(jiǎn)稱HSI）”，并初步探索了一些HSI的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，比如堅(jiān)硬的表面更適合短時(shí)間的操作、柔性表面會(huì)讓用戶對(duì)重置產(chǎn)生困惑，以及材料的情感語(yǔ)義會(huì)影響應(yīng)用體驗(yàn)等。而Philipose等[52]通過監(jiān)測(cè)用戶與日常用品表面接觸的頻次和時(shí)段來獲取用戶日常生活行為（Activities of Daily Living）的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并以此推斷用戶的自主生活能力和健康狀態(tài)。Degraen等[53]創(chuàng)新性地提出，家中的一些有機(jī)表面，比如家養(yǎng)植物，也可以被用作觸摸式通知界面。

3.3 觸覺界面設(shè)計(jì)框架

綜上所述，智能家居中觸覺界面的設(shè)計(jì)框架歸納見圖4。

4 基于觸覺交互的用戶體驗(yàn)優(yōu)化

觸覺交互技術(shù)能夠自然地與各類可觸家居表面融合，在用戶熟悉的家居樣式和與之相關(guān)的生活方式保持不變的情況下，優(yōu)化用戶的智能生活體驗(yàn)。其中，觸覺傳感器對(duì)于現(xiàn)有智能家居設(shè)備的部署和配置在降低成本、提高操作效率、自然性和用戶舒適度等方面都具有較好的應(yīng)用潛力。

圖4 智能家居中觸覺界面的設(shè)計(jì)框架

4.1 控制

利用手部皮膚觸覺的電子織物能夠以低成本、低能耗的方式簡(jiǎn)化日常物品智能化的流程。如圖5所示，Sensorsnap[54]是一種集成小型運(yùn)動(dòng)傳感器和電容觸摸屏的智能扣子，可以檢測(cè)用戶的輕拍、旋轉(zhuǎn)和觸摸等動(dòng)作，用于控制設(shè)備。Pinstripe[55]是一種可以用于智能服裝上的連續(xù)觸覺輸入元件，由縫在織物上的平行導(dǎo)電線組成，用戶使用手指捏和滾動(dòng)布料來控制輸入力度。除了柔性材料外，有一定變形能力的支撐型材料也可以智能化。Foldio[56]是一種由塑料、紙或紙板薄片折疊而成的交互式3D對(duì)象，它具有觸摸和變形傳感，并通過嵌入可折疊結(jié)構(gòu)中的定制印刷電子元件提供系統(tǒng)輸出，可應(yīng)用于觸摸感應(yīng)式包裝或燈罩等日常生活物品。

柔性觸覺設(shè)備也可以拓展已有家居或者電子設(shè)備表面的觸控區(qū)域。ObjectSkin[57]基于柔性電路定制傳感器和顯示器，無縫貼合各種日常物體的彎曲幾何形狀和詳細(xì)表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)曲面觸控。Tada等[58]研發(fā)了一種薄顯示面板系統(tǒng)，可以將現(xiàn)有的廚房或梳妝臺(tái)的大理石臺(tái)面轉(zhuǎn)換為智能觸摸屏，用戶可以用濕手或臟手觸摸，實(shí)現(xiàn)撥打電話或者設(shè)置計(jì)時(shí)器等功能。Ohmic–Sticker[59]是一種新型的觸覺傳感貼紙，可以附著在電子設(shè)備表面來拓展觸摸交互面積，實(shí)現(xiàn)各種類型的力敏輸入。PrintSense[60]是一種在平面、曲面或柔性表面上進(jìn)行多模式傳感的技術(shù)，可以覆蓋在家居物品表面，支持觸摸和接近輸入的感應(yīng)，而且能夠捕獲多個(gè)級(jí)別的壓力和彎曲。

4.2 監(jiān)測(cè)

利用皮膚觸覺和接觸式動(dòng)覺進(jìn)行非侵入式的身體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，是一種有效應(yīng)用可穿戴功能織物和智能化可觸表面的方式。Seo等[61]在一個(gè)生活實(shí)驗(yàn)室（Living Lab）研究項(xiàng)目中邀請(qǐng)了青年到老年3個(gè)年齡段用戶生活在部署各類智能家居設(shè)備的公寓中，3個(gè)群體在身體成分檢測(cè)、步態(tài)探測(cè)和智能床的服務(wù)項(xiàng)目上都提出增加觸覺輸入的需求。

圖5 觸覺控制設(shè)備

在穿戴式的設(shè)備中，觸覺傳感器通常與日常衣物相結(jié)合。Sazonov等[62]開發(fā)了一種鞋內(nèi)壓力和加速度傳感器系統(tǒng)，用于識(shí)別用戶的坐姿、站立、行走、伸展等活動(dòng)，有助于進(jìn)行肥胖管理、疾病預(yù)防和運(yùn)動(dòng)康復(fù)。SmartSox[63]是一種可以測(cè)量溫度、壓力和拇趾運(yùn)動(dòng)范圍的舒適襪子，以進(jìn)行足部情況監(jiān)控。Textronics[64]是一種測(cè)量人體呼吸頻率的原型紡織傳感器，可將其嵌入服裝結(jié)構(gòu)中。Furlanetto等[65]和Patel等[66]的研究表明，可以利用可穿戴的溫度傳感器測(cè)量熱流和皮膚溫度，準(zhǔn)確估計(jì)用戶在運(yùn)動(dòng)中的能量消耗。

接觸式的設(shè)備還可以部署到與檢測(cè)活動(dòng)高度相關(guān)的居家物體表面，比如地板、椅子和浴室設(shè)備。壓感座椅[67-68]可以監(jiān)控坐姿、姿勢(shì)和日常行為模式異常等特征。壓感床或壓敏床單可以用于獨(dú)居老年人夜間呼吸頻率的連續(xù)監(jiān)測(cè)[69]；監(jiān)測(cè)睡眠階段，通過微型振動(dòng)旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器陣列在最佳時(shí)間喚醒用戶[70]；分析不同人群的睡眠模式等[71-72]。浴室設(shè)備[44]可以監(jiān)控各種使用情況，如浴室占用情況和跌倒檢測(cè)等。

4.3 提示

由于人類觸覺的感知即時(shí)性和低認(rèn)知消耗等特征，觸覺提示在導(dǎo)航、駕駛、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等諸多要求人們快速反應(yīng)的場(chǎng)景中得到了有效應(yīng)用。同時(shí)，觸覺傳感的近身性還可以較好地保護(hù)用戶隱私。在家居環(huán)境中，觸覺提示可以作為貼身式、輕量化的無聲私人通知，用于提醒用戶居家活動(dòng)時(shí)間計(jì)劃，比如鬧鐘、吃藥等。如圖6所示，Thermal Bit Display[73]是一種熱觸覺顯示器，帶有微小的設(shè)備，在特定身體范圍內(nèi)提供熱反饋。HaPouch[74]依靠加熱使液體汽化膨脹來實(shí)現(xiàn)小而輕的氣動(dòng)觸覺顯示。Magtics[75]是一種基于電磁鎖存的柔性薄型觸覺反饋裝置，可被獨(dú)立佩戴，或者集成到腕帶、服裝和日常用品表面，用于提供各類通知提示。

圖6 觸覺提示設(shè)備

4.4 安全

為了避免攝像頭帶來的隱私問題，通過部署傳感陣列、采用功能織物等方法，可以在家門口使用智能地板[76-78]或者智能地毯[79-80]，感知人的室內(nèi)定位并基于步態(tài)識(shí)別個(gè)人身份。通過支持深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析，Shi等[80]研發(fā)的智能地墊可以根據(jù)10個(gè)人的特定步態(tài)實(shí)現(xiàn)96%的高識(shí)別準(zhǔn)確率。利用傳感地板或地磚監(jiān)測(cè)是一種非侵入性的監(jiān)測(cè)方法，它可以收集環(huán)境機(jī)械能并轉(zhuǎn)換為電能[81-82]。智能地板還可以充分利用足部的觸覺感知特點(diǎn)，通過振動(dòng)反饋等方式來發(fā)送警告信號(hào)[83]。

5 基于觸覺交互的用戶體驗(yàn)拓展

居住在生活實(shí)驗(yàn)室（Living Lab）[61]的用戶在評(píng)估智能家居系統(tǒng)時(shí)，可能因?yàn)樵谌粘Ｉ钪幸呀?jīng)從各類可觸表面中獲得了豐富的真實(shí)觸覺反饋信息，所以提出了多個(gè)觸覺輸入的應(yīng)用場(chǎng)景，卻沒有針對(duì)觸覺輸出提出具體要求。觸覺顯示和反饋通常被認(rèn)為是增加虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸感的重要元素，用來彌補(bǔ)物理觸覺反饋的缺失。從這一角度看，如果觸覺交互要在現(xiàn)實(shí)的家居情景中發(fā)揮其獨(dú)特的作用，除了優(yōu)化用戶在一些典型場(chǎng)景的體驗(yàn)外，還需要從觸覺的非辨別性功能入手，拓展用戶與“家”相關(guān)的感性認(rèn)知和情感交流的新體驗(yàn)。

5.1 增強(qiáng)觸覺

通過各類視覺顯示設(shè)備，人們可以突破自身的局限，看到視野外、微觀或宏觀的物體。同樣，觸覺設(shè)備可以作為感官系統(tǒng)的增強(qiáng)和身體工具的延伸，擴(kuò)展個(gè)人在日常居家活動(dòng)中的觸覺感知能力和范圍，也可以為感官障礙人士提供感知替代方案[84]。

隨著多功能柔性和可拉伸電子器件的快速發(fā)展，電子紋身等技術(shù)使皮膚具備了成為增強(qiáng)的私人化、個(gè)性化觸覺通信界面的可能。如圖7所示，Tacttoo[85]可以在確保與裸皮膚類似的自然觸覺靈敏度的同時(shí)，在用戶皮膚上進(jìn)行高密度的電觸覺輸出。Multi-Touch Skin[86]給交互設(shè)計(jì)師提供了一種高分辨率的多點(diǎn)觸摸傳感功能皮膚。Springlets[87]則使用模塊化彈簧實(shí)現(xiàn)了一種新的機(jī)械驅(qū)動(dòng)接口，用于在皮膚上產(chǎn)生富有表現(xiàn)力、非振動(dòng)、無聲的輸出。

在觸覺的延伸性上，KnitUI[88]是一種基于電阻壓力傳感的可訪問的機(jī)器編織用戶界面，可定制、便攜、變形和清洗，使用戶可以將自己身體的任意部位變成觸覺傳感接口。HAPTIC PLASTeR[89]使用基于介電彈性體致動(dòng)器（DEA）組成滑環(huán)聚合物材料（SRM），可以將其與用戶身體緊密貼合，集成為各類可穿戴的觸覺感知設(shè)備，用戶可以體驗(yàn)遠(yuǎn)程用戶的心跳、材料的紋理、風(fēng)吹過皮膚的感受等。

圖7 增強(qiáng)觸覺設(shè)備

5.2 情感觸覺

觸覺的情感語(yǔ)義十分豐富，既可以傳達(dá)情緒的高低，又可以傳達(dá)情緒的類型[90]。情感計(jì)算技術(shù)使研究者可以通過用戶觸覺行為推測(cè)其情緒狀態(tài)，以及應(yīng)用不同的觸覺技術(shù)喚起用戶不同的情感。通過觸覺行為進(jìn)行檢測(cè)是一種侵入性較小的情感感知技術(shù)[22]，比如壓力特征可能有助于區(qū)別沮喪和興奮兩種情緒[91]。在智能家居環(huán)境中的可觸表面上集成觸摸感受器，可以隱式地捕捉用戶的情緒狀態(tài)并予以響應(yīng)。比如，通過愉悅的觸覺增強(qiáng)親密關(guān)系的溝通相處；使用表面摩擦可表示信息的關(guān)鍵情感元素；支持與兒童、殘障人士的藝術(shù)感知和表達(dá)等[92]。

觸摸和身體動(dòng)作，比如擁抱或撫摸手臂，也可被編碼為表征情感語(yǔ)義的觸覺信號(hào)[49]。如圖8所示，F(xiàn)uSA2 Touch Display[93]是一種毛茸茸的可伸縮多點(diǎn)觸摸顯示屏，根據(jù)用戶撫摸和撓抓其表面纖維，視覺圖像會(huì)發(fā)生移動(dòng)而變形。這類情感觸覺也可以應(yīng)用于具備情感治療功能的可觸機(jī)器人。Huggable[94]是一款陪伴玩具泰迪熊，可以識(shí)別用戶與其觸摸互動(dòng)中的各類手勢(shì)。Yohanan和MacLean有意避免對(duì)特定動(dòng)物的再現(xiàn)，開發(fā)了一只“觸覺生物[95]”，它可以基于不同的撫摸手勢(shì)做出不同的觸覺反饋，如規(guī)律的柔和振動(dòng)（打呼?；蚝粑┖蛙浕涞?，以協(xié)調(diào)情感上的耦合互動(dòng)。

嵌入了定向振動(dòng)觸覺反饋的家具也可以具備隱形調(diào)節(jié)用戶日常生活中情緒的潛力。比如振動(dòng)沙發(fā)[96]、振動(dòng)坐墊[97]、可膨脹的振動(dòng)鍵盤BubbleWrap[98]等。

5.3 觸覺媒體

嵌入家居產(chǎn)品（尤其是能夠保持身體接觸的家具）中的觸覺反饋不僅可以傳遞情感，還可以輔助實(shí)現(xiàn)居家式的沉浸式媒體體驗(yàn)，對(duì)視聽數(shù)字媒體信息進(jìn)行“再物質(zhì)化”[99]，增強(qiáng)媒體內(nèi)容的交互性和理解度[40]。

Cha等[100]把觸覺媒體分為2類：傳遞預(yù)先記錄信息流的被動(dòng)觸覺“回放”和給予用戶自由意愿探索的主動(dòng)觸覺交互。被動(dòng)觸覺回放一般與影音媒體相結(jié)合，用戶使用嵌入家具的觸覺刺激器或者獨(dú)立的動(dòng)覺觸覺設(shè)備（如觸覺手套、臂套等），來感受時(shí)序性的線性觸覺介質(zhì)，如同個(gè)人4D影院。而家庭線上購(gòu)物場(chǎng)景中，主動(dòng)觸覺設(shè)備可以捕獲目標(biāo)物品的2.5維深度場(chǎng)景或完整三維圖景，并通過給用戶指尖提供力反饋和紋理等觸覺特征，邀請(qǐng)用戶發(fā)揮主觀能動(dòng)性來感受物體。目前已有多種輕便式的觸覺反饋設(shè)備，包含指尖佩戴式的[101-102]和固定式的[103]。

游戲類娛樂體驗(yàn)也是觸覺媒體的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。TouchTV[104]是一種觸覺遙控器，通過在圓形操縱桿上添加力反饋，能夠很好地增強(qiáng)電子游戲的體驗(yàn)感和參與感。將觸覺遙控器與沙發(fā)搖床進(jìn)行結(jié)合，可以分層次顯示觸覺反饋。比如體育觀賽場(chǎng)景中，遙控器上可以顯示較弱的沖擊，而在沙發(fā)搖床上可以顯示較強(qiáng)的沖擊來突出表達(dá)射門。Stevenson等[105]提出了一種充氣式的可變形觸覺顯示器，膠乳表面的曲率和硬度隨容器中空氣密度而變化，可以模擬鼓等樂器，也可以用于顯示二/三維圖像的Z軸變形。

圖8 情感觸覺設(shè)備

未來的多模態(tài)觸覺設(shè)備能夠通過整合的刺激來同時(shí)激活人類觸覺通道的多個(gè)受體[106]，更好地保證用戶與虛擬對(duì)象的高保真觸覺交互。比如，Guo等[107]開發(fā)了一種磁響應(yīng)軟觸覺裝置進(jìn)行精細(xì)紋理的顯示。

6 觸覺體驗(yàn)設(shè)計(jì)工具

Schneider等[42]將“觸覺體驗(yàn)設(shè)計(jì)（Haptic Experience Design，簡(jiǎn)稱HaXD）”定義為通過將交互技術(shù)與一種或多種感知觸覺進(jìn)行有意圖地結(jié)合來進(jìn)行用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)。然而，將觸覺交互技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到智能家居場(chǎng)景中，對(duì)于不熟悉觸覺領(lǐng)域的用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)師是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，原因包括觸覺硬件的龐大多樣性，缺乏描述、繪制、共享和測(cè)試想法的手段，以及缺乏過程示例或指導(dǎo)方針[108]。因此有必要使用一些設(shè)計(jì)工具來進(jìn)行概念的開發(fā)和測(cè)試。

為了降低非專家的應(yīng)用壁壘，Hayward和MacLean在2篇鼓勵(lì)DIY搭建觸覺交互原型的論文中詳細(xì)介紹了觸覺接口、操作原理和如何調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[109]，以及觸覺交互的表達(dá)能力與情感設(shè)計(jì)，并強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)從以技術(shù)為中心轉(zhuǎn)向以用戶為中心的必要性[110]。Moussette等[111]開發(fā)了一種簡(jiǎn)單觸覺的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)機(jī)制，可以作為平臺(tái)和構(gòu)建塊，用于快速繪制、理解、探索、實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建變體和開發(fā)主題的觸覺設(shè)備設(shè)計(jì)。Seifi等[108]開發(fā)了一套觸覺設(shè)計(jì)工具包，包含了Hapkit[112]和Haply[113]開源定制觸覺控制板，和hAPI應(yīng)用程序編程接口，來協(xié)助新手進(jìn)行低成本的觸覺設(shè)備原型設(shè)計(jì)，見圖9。Seifi等還創(chuàng)建了Haptipedia[114]，一個(gè)將零散的觸覺反饋形式及設(shè)備的語(yǔ)料庫(kù)進(jìn)行匯總分類的平臺(tái)，交互設(shè)計(jì)師可以搜索和瀏覽105個(gè)觸覺設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)，權(quán)衡設(shè)計(jì)策略。

圖9 觸覺交互原型設(shè)計(jì)工具[108]

7 結(jié)語(yǔ)

本文論述了觸覺交互在智能家居場(chǎng)景中的優(yōu)勢(shì)、適用技術(shù)和物理載體，提出了居家觸覺界面的設(shè)計(jì)框架，并梳理了具體的觸覺交互體驗(yàn)類型與原型設(shè)計(jì)工具?！凹摇笔侨祟悓ふ野踩?、歸屬感、控制感和私密感的最重要場(chǎng)所。觸覺界面有助于讓智能的家與人的生活智慧相結(jié)合，平靜地適應(yīng)以用戶為中心的最自然的居家方式，優(yōu)化系統(tǒng)的上下文感知，降低交互成本、提升交互效率。同時(shí)，觸覺界面也提供一個(gè)具身的信息交互環(huán)境，為用戶營(yíng)造更加私人化、情感化、沉浸式的體驗(yàn)。

觸覺在提升用戶與智能家居系統(tǒng)的自然化交互體驗(yàn)上有諸多優(yōu)勢(shì)和潛力，但也具有一定的局限性，比如指尖以外的觸覺感知分辨率較低、對(duì)刺激的適應(yīng)導(dǎo)致感知敏感度降低、容易受其他模態(tài)影響等。交互設(shè)計(jì)師和用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)師可以密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外觸覺交互理論和技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，結(jié)合對(duì)智能家居概念內(nèi)涵的剖析和對(duì)用戶需求的深入洞察，進(jìn)行觸覺交互體驗(yàn)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

[1] LI Min, GU Wen-bin, CHEN Wei, et al. Smart Home: Architecture, Technologies and Systems[J]. Procedia Computer Science, 2018, 131(1): 393-400.

[2] MARIKYAN D, PAPAGIANNIDIS S, ALAMANOS E. A Systematic Review of the Smart Home Literature: A User Perspective[J]. Technological Forecasting and Social Change, 2019, 138(1): 139-154.

[3] DAVIDOFF S, LEE M K, YIU C, ZIMMERMAN J, DEY A K. Principles of Smart Home Control[C]// UbiComp 2006: Ubiquitous Computing. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2006.

[4] WILSON C, HARGREAVES T, HAUXWELL- BALDWIN R. Smart Homes and Their Users: A Systematic Analysis and Key Challenges[J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2015, 19(2): 463-476.

[5] HERCZEG M. The Smart, the Intelligent and the Wise: Roles and Values of Interactive Technologies[J]. ACM International Conference Proceeding Series, 2010(1): 17-26.

[6] 路璐, 田豐, 戴國(guó)忠, 等. 融合觸、聽、視覺的多通道認(rèn)知和交互模型[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 26(4): 654-661.

LU Lu, TIAN Feng, DAI Guo-zhong, et al. A Study of the Multimodal Cognition and Interaction Based on Touch, Audition and Vision[J]. Journal of Computer- Aided Design & Computer Graphics, 2014, 26(4): 654-661.

[7] GRAM-HANSSEN K, DARBY S J. "Home is where the Smart is"? Evaluating Smart Home Research and Approaches Against the Concept of Home[J]. Energy Research & Social Science, 2018, 37(1): 94-101.

[8] DOUGLAS M. The Idea of a Home: A Kind of Space[J]. Social Research, 1991, 58(1): 287-307.

[9] YANG H, LEE H, ZO H. User Acceptance of Smart Home Services: An Extension of the Theory of Planned Behavior[J]. Industrial Management & Data Systems, 2017, 117(1): 68-89.

[10] SAIZMAA T, KIM H C. Smart home design: Home or house? [C]// 2008 Third International Conference on Convergence and Hybrid Information Technology. Busan: IEEE, 2008.

[11] SHUHAIBER A, MASHAL I. Understanding Users' Acceptance of Smart Homes[J]. Technology in Society, 2019, 58(1): 101110.

[12] ALAM M R, REAZ M B I, ALI M A M. Statistical Modeling of the Resident's Activity Interval in Smart Homes[J]. Journal of Applied Sciences, 2011, 11(16): 3058-3061.

[13] TAYLOR A S, SWAN L. Artful Systems in the Home[C]// Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems. Portland: ACM, 2005.

[14] ALAM M R, REAZ M B I, ALI M A M. A Review of Smart Homes: Past, Present, and Future[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C (Applications and Reviews), 2012, 42(6): 1190-1203.

[15] POTT P P. Haptic Interfaces[M]. Amsterdam: Elsevier, 2022: 257-274.

[16] YIN J, HINCHET R, SHEA H, et al. Wearable Soft Technologies for Haptic Sensing and Feedback[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(39): 2007428.

[17] DAN J. Haptic or Touch-Based Knowledge[M]. Amsterdam: Elsevier, 2020: 291-296.

[18] HAYWARD V, ASTLEY O R, CRUZ-HERNANDEZ M, et al. Haptic Interfaces and Devices[J]. Sensor Review, 2004, 24(1): 16-29.

[19] GILLESPIE R B, O'MODHRAIN S. Embodied cognition as a motivating perspective for haptic interaction design: A position paper[C]// 2011 IEEE World Haptics Conference. Istanbul: IEEE, 2011.

[20] CHOUVARDAS V G, MILIOU A N, HATALIS M K. Tactile Displays: Overview and Recent Advances[J]. Displays, 2008, 29(3): 185-194.

[21] GALLACE A, SPENCE C. The Cognitive and Neural Correlates of "Tactile Consciousness": A Multisensory Perspective[J]. Consciousness and Cognition, 2008, 17(1): 370-407.

[22] GAO Yuan, BIANCHI-BERTHOUZE N, MENG Hong- ying. What does Touch Tell us about Emotions in Touchscreen-Based Gameplay? [J]. ACM Transactions on Computer-Human Interaction, 2012, 19(4): 31.

[23] MACLEAN K E. Designing with Haptic Feedback[C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation, Symposia Proceedings (Cat. No.00CH37065), San Francisco: IEEE, 2000.

[24] POUPYREV I, MARUYAMA S, REKIMOTO J. Ambient Touch: Designing Tactile Interfaces for Handheld Devices[C]// Proceedings of the 15th Annual Acm Symposium on User Interface Software and Technology (UIST '02). New York: ACM, 2002.

[25] MACLEAN K E. Haptic Interaction Design for Everyday Interfaces[J]. Reviews of Human Factors and Ergonomics, 2008, 4(1): 149-194.

[26] 曾棟, 周磚, 程海峰, 等. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的觸覺體驗(yàn)研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(2): 134-141.

ZENG Dong, ZHOU Zhuan, CHENG Hai-feng, et al. Tactile Experience in Product Design[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(2): 134-141.

[27] MACLEAN K E. Putting Haptics into the Ambience[J]. IEEE Transactions on Haptics, 2009, 2(3): 123-135.

[28] ENRIQUEZ M, MACLEAN K, CHITA C. Haptic Phonemes: Basic Building Blocks of Haptic Communication[C]// Proceedings of the 8th international conference on Multimodal interfaces. New York: ACM, 2006: 302-309.

[29] 李宏汀, 陳柏鴻, 葛列眾. 觸覺交互研究的回顧與展望[J]. 人類工效學(xué), 2008, 14(3): 51-53, 17.

LI Hong-ting, CHEN Bai-Hong, GE Lie-zhong. Review and Prospect of Tactile Interaction Research[J]. Chinese Journal of Ergonomics, 2008, 14(3): 51-53, 17.

[30] WEISER M. The Computer for the 21st Century[J]. Scientific American, 1991, 265(3): 94-104.

[31] PACCHIEROTTI C, SINCLAIR S, SOLAZZI M, et al. Wearable Haptic Systems for the Fingertip and the Hand: Taxonomy, Review, and Perspectives[J]. IEEE Transactions on Haptics, 2017, 10(4): 580-600.

[32] KIM S W, KIM S H, KIM C S, et al. Thermal Display Glove for Interacting with Virtual Reality[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1): 1-12.

[33] HEIKKINEN J, OLSSON T, V??N?NEN-VAINIO- MATTILA K. Expectations for User Experience in Haptic Communication with Mobile Devices[C]//Proceedings of the 11th International Conference on Human- Computer Interaction with Mobile Devices and Services. New York: ACM, 2009.

[34] JONES L A, SARTER N B. Tactile Displays: Guidance for Their Design and Application[J]. Human Factors, 2008, 50(1): 90-111.

[35] SREELAKSHMI M, SUBASH T D. Haptic Technology: A Comprehensive Review on Its Applications and Future Prospects[J]. Materials Today: Proceedings, 2017, 4(2): 4182-4187.

[36] 曹建國(guó), 周建輝, 繆存孝, 等. 電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 49(1): 1-13.

CAO Jian-guo, ZHOU Jian-hui, MIAO Cun-xiao, et al. Research Progress and Development Strategy on Tactile Sensors for E-Skin[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2017, 49(1): 1-13.

[37] BISWAS S, VISELL Y. Emerging Material Technologies for Haptics[J]. Advanced Materials Technologies, 2019, 4(4): 1900042.

[38] WANG D, XIAO J, ZHANG Y. Haptic Rendering for Simulation of Fine Manipulation[M]. Berlin: Springer, 2014.

[39] BERMEJO C, HUI Pan. A Survey on Haptic Technologies for Mobile Augmented Reality[J]. ACM Computing Surveys, 2022, 54(9): 184.

[40] 趙璐, 劉越, 祃卓犖. 觸覺再現(xiàn)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 30(11): 1979-2000.

ZHAO Lu, LIU Yue, MA Zhuo-luo. Research Progress of Tactile Representation Technology[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics, 2018, 30(11): 1979-2000.

[41] OZIOKO O, NAVARAJ W, HERSH M, et al. Tacsac: A Wearable Haptic Device with Capacitive Touch- Sensing Capability for Tactile Display[J]. Sensors (Basel, Switzerland), 2020, 20(17): 4780.

[42] SCHNEIDER O, MACLEAN K, SWINDELLS C, et al. Haptic Experience Design: What Hapticians do and where they Need Help[J]. International Journal of Human-Computer Studies, 2017, 107: 5-21.

[43] Hoffmann F, TYROLLER M I, WENDE F, HENZE N. User-defined Interaction for Smart Homes: Voice, Touch, or Mid-air Gestures?[C]// Proceedings of the 18th International Conference on Mobile and Ubiquitous Multimedia (MUM '19). New York: ACM, 2019.

[44] JONES M H, ARCELUS A, GOUBRAN R, et al. A Pressure Sensitive Home Environment[J]. 2006 IEEE International Workshop on Haptic Audio Visual Environments and Their Applications, 2006: 10-14.

[45] 米海鵬, 王濛, 盧秋宇, 等. 實(shí)物用戶界面: 起源、發(fā)展與研究趨勢(shì)[J]. 中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué), 2018, 48(4): 390-405.

MI Hai-peng, WANG Meng, LU Qiu-yu, et al. Tangible User Interface: Origins, Development, and Future Trends[J]. Scientia Sinica (Informationis), 2018, 48(4): 390-405.

[46] GIBSON J J. Observations on Active Touch[J]. Psychological Review, 1962, 69: 477-491.

[47] LEDERMAN S J, KLATZKY R L. Haptic Perception: A Tutorial[J]. Attention, Perception, & Psychophysics, 2009, 71(7): 1439-1459.

[48] HERSSENS J, HEYLIGHEN A. Haptic Design Research: A Blind Sense of Space[C]//Proceedings of the 7th ARCC/EAAE 2010 International Conference on Architectural Research, Washington, DC: ARCC, 2011.

[49] BAURLEY S. Interactive and Experiential Design in Smart Textile Products and Applications[J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2004, 8(3): 274-281.

[50] 50. TAYLOR A S, HARPER R, SWAN L, et al. Homes that Make us Smart[J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2007, 11(5): 383-393.

[51] TIGWELL G W, CRABB M. Household Surface Interactions: Understanding User Input Preferences and Perceived Home Experiences[C] //Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2020.

[52] PHILIPOSE M, FISHKIN K P, PERKOWITZ M, et al. Inferring Activities from Interactions with Objects[J]. IEEE Pervasive Computing, 2004, 3(4): 50-57.

[53] DEGRAEN D, SCHUBHAN M, KOSMALLA F, ZENNER A, DAIBER F. Ambient Living Media as Haptic Proxy Interfaces for Virtual Reality[C]// Workshop on Everyday Proxy Objects for Virtual Reality at CHI'21. Yokohama: ACM, 2021.

[54] DEMENTYEV A, GáLVEZ T V, OLWAL A. SensorSnaps: Integrating Wireless Sensor Nodes into Fabric Snap Fasteners for Textile Interfaces[C]// Proceedings of the 32nd Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York: ACM, 2019.

[55] KARRER T, WITTENHAGEN M, LICHTSCHLAG L, et al. Pinstripe: Eyes-Free Continuous Input on Interactive Clothing[C]// Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2011.

[56] OLBERDING S, ORTEGA S S, HILDEBRANDT K, et al. Foldio: Digital Fabrication of Interactive and Shape- Changing Objects with Foldable Printed Electronics[C]// Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on User Interface Software & Technology. New York: ACM, 2015.

[57] GROEGER D, STEIMLE J. ObjectSkin: Augmenting Everyday Objects with Hydroprinted Touch Sensors and Displays[J]. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 2017, 1(4): 134.

[58] TADA T, HIRAI S. Transmissive LED Touch Display for Engineered Marble[C]// UIST '20 Adjunct: Adjunct Publication of the 33rd Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York: ACM, 2020: 145-147.

[59] IKEMATSU K, FUKUMOTO M, SIIO I. Ohmic- Sticker: Force-to-Motion Type Input Device for Capacitive Touch Surface[C]// CHI EA '19: Extended Abstracts of the 2019 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2019.

[60] GONG Nan-wei, STEIMLE J, OLBERDING S, et al. PrintSense: A Versatile Sensing Technique to Support Multimodal Flexible Surface Interaction[C]// Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2014.

[61] SEO E, BAE S, CHOI H, et al. Preference and Usability of Smart-Home Services and Items-a Focus on the Smart-Home Living-Lab[J]. Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 2021, 20(6): 650-662.

[62] GIANSANTI D, MACCIONI G, MORELLI S. An Experience of Health Technology Assessment in New Models of Care for Subjects with Parkinson's Disease by Means of a New Wearable Device[J]. Telemedicine Journal and e-Health: the Official Journal of the American Telemedicine Association, 2008, 14(5): 467-472.

[63] NAJAFI B. SmartSox: A smart textile to prevent diabetic foot amputation[C]// Qatar Foundation Annual Research Forum Proceedings. Doha: Hamad bin Khalifa University Press (HBKU Press), 2013.

[64] ZIEBA J, FRYDRYSIAK M. Textronics-Electrical and Electronic Textiles. Sensors for Breathing Frequency Measurement[J]. Fibres and Textiles in Eastern Europe, 2006, 14(5): 43-48.

[65] FURLANETTO K C, BISCA G W, OLDEMBERG N, et al. Step Counting and Energy Expenditure Estimation in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease and Healthy Elderly: Accuracy of 2 Motion Sensors[J]. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 2010, 91(2): 261-267.

[66] PATEL S A, BENZO R P, SLIVKA W A, et al. Activity Monitoring and Energy Expenditure in COPD Patients: A Validation Study[J]. COPD, 2007, 4(2): 107-112.

[67] TAN H Z, SLIVOVSKY L A, PENTLAND A. A Sensing Chair Using Pressure Distribution Sensors[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2001, 6(3): 261-268.

[68] KUMAR R, BAYLIFF A, DE D, et al. Care-chair: Sedentary activities and behavior assessment with smart sensing on chair backrest[C]// 2016 IEEE International Conference on Smart Computing. St. Louis: IEEE, 2016.

[69] JONES M H, GOUBRAN R, KNOEFEL F. Reliable Respiratory Rate Estimation from a Bed Pressure Array[J]. 2006 International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2006: 6410-6413.

[70] DANESH A, LAAMARTI F, EL SADDIK A. HAVAS: The Haptic Audio Visual Sleep Alarm System[M]. Cham: Springer International Publishing, 2015: 247-256.

[71] WANG Hai-ying, ZHENG Hui-ru, AUGUSTO J C, et al. Monitoring and analysis of sleep pattern for people with early dementia[C]// 2010 IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine Workshops. Hong Kong, China: IEEE.

[72] SAMY L, HUANG Ming-chun, LIU J J, et al. Unobtrusive Sleep Stage Identification Using a Pressure- Sensitive Bed Sheet[J]. IEEE Sensors Journal, 2014, 14(7): 2092-2101.

[73] NIIJIMA A, TAKEDA T, MUKOUCHI T, et al. ThermalBitDisplay: Haptic Display Providing Thermal Feedback Perceived Differently Depending on Body Parts[C]// CHI EA '20: Extended Abstracts of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2020.

[74] URAMUNE R, ISHIZUKA H, HIRAKI T, et al. HaPouch: Soft and Wearable Haptic Display Devices Using Liquid-to-Gas Phase Change Actuator[C]// UIST '20 Adjunct: Adjunct Publication of the 33rd Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York: ACM, 2020.

[75] PECE F, ZARATE J J, VECHEV V, et al. MagTics: Flexible and Thin Form Factor Magnetic Actuators for Dynamic and Wearable Haptic Feedback[C]// Proceedings of the 30th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York: ACM, 2017.

[76] BENBASAT A Y, MORRIS S J, PARADISO J A. A Wireless Modular Sensor Architecture and Its Application in On-Shoe Gait Analysis[J]. Sensors, 2003 IEEE, 2003, 2: 1086-1091Vol.2.

[77] MIDDLETON L, BUSS A A, BAZIN A, et al. A floor sensor system for gait recognition[C]// Fourth IEEE Workshop on Automatic Identification Advanced Technologies (AutoID'05). Buffalo: IEEE, 171-176.

[78] LI You, GAO Zhou-zheng, HE Zhe, et al. Multi-Sensor Multi-Floor 3D Localization with Robust Floor Detection[J]. IEEE Access, 6: 76689-76699.

[79] DONG Kai, PENG Xiao, AN Jie, et al. Shape Adaptable and Highly Resilient 3D Braided Triboelectric Nanogenerators as E-Textiles for Power and Sensing[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-11.

[80] SHI Qiong-feng, ZHANG Zi-xuan, HE T, et al. Deep Learning Enabled Smart Mats as a Scalable Floor Monitoring System[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 4609.

[81] MA Jin-ming, JIE Yang, BIAN Jie, et al. From Triboelectric Nanogenerator to Self-Powered Smart Floor: A Minimalist Design[J]. Nano Energy, 2017, 39(1): 192-199.

[82] KIM K B, CHO J Y, JABBAR H, et al. Optimized Composite Piezoelectric Energy Harvesting Floor Tile for Smart Home Energy Management[J]. Energy Conversion and Management, 2018, 171(1): 31-37.

[83] VISELL Y, LAW A, COOPERSTOCK J R. Touch is Everywhere: Floor Surfaces as Ambient Haptic Interfaces[J]. IEEE Transactions on Haptics, 2009, 2(3): 148-159.

[84] WALL S A, BREWSTER S. Sensory Substitution Using Tactile Pin Arrays: Human Factors, Technology and Applications[J]. Signal Processing, 2006, 86(12): 3674-3695.

[85] WITHANA A, GROEGER D, STEIMLE J. Tacttoo: A Thin and Feel-through Tattoo for On-Skin Tactile Output[C]// Proceedings of the 31st Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology. New York: ACM, 2018.

[86] NITTALA A S, WITHANA A, POURJAFARIAN N, et al. Multi-Touch Skin: A Thin and Flexible Multi-Touch Sensor for On-Skin Input[C]// Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2018.

[87] HAMDAN N A H, WAGNER A, VOELKER S, et al. Springlets: Expressive, Flexible and Silent On-Skin Tactile Interfaces[C]// Proceedings of the 2019 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2019.

[88] LUO Yi-yue, WU Kui, PALACIOS T, et al. KnitUI: Fabricating Interactive and Sensing Textiles with Machine Knitting[C]// Proceedings of the 2021 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2021.

[89] KUROGI T, YONEHARA Y, PEIRIS R L, et al. HAPTIC PLASTeR: Soft, Thin, Light and Flexible Haptic Display Using DEA Composed of Slide-Ring Material for Daily Life[C]// SIGGRAPH '19: ACM SIGGRAPH 2019 Emerging Technologies. New York: ACM, 2019.

[90] JONES S E, YARBROUGH A E. A Naturalistic Study of the Meanings of Touch[J]. Communication Monographs, 1985, 52(1): 19-56.

[91] LV Hai-rong, LIN Zhong-lin, YIN Wen-jun, et al. Emotion recognition based on pressure sensor keyboards[C]// 2008 IEEE International Conference on Multimedia and Expo. Hannover: IEEE, 2008.

[92] MULLENBACH J, SHULTZ C, COLGATE J E, et al. Exploring Affective Communication through Variable- Friction Surface Haptics[C]// Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2014.

[93] NAKAJIMA K, ITOH Y, TSUKITANI T, et al. FuSA2 Touch Display: A furry and scalable multi-touch display[C]// 2012 IEEE Virtual Reality Workshops. Costa Mesa : IEEE, 2012.

[94] STIEHL W D, LIEBERMAN J, BREAZEAL C, et al. Design of a Therapeutic Robotic Companion for Relational, Affective Touch[J]. ROMAN 2005 IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication, 2005, 2005: 408-415.

[95] YOHANAN S, MACLEAN K E. The Haptic Creature Project: Social HumanRobot Interaction through Affective Touch[C], Proc. of The Reign of Katz and Dogz, 2nd AISB Symp on the Role of Virtual Creatures in a Computerised Society (AISB '08), Aberdeen: AISB, 2008.

[96] MENNICKEN S, BRUSH A J B, ROSEWAY A, et al. Exploring Interactive Furniture with EmotoCouch[C]// Proceedings of the 2014 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing: Adjunct Publication. New York: ACM, 2014.

[97] CHANDRA Y, PEIRIS R, MINAMIZAWA K. Affective Haptic Furniture: Directional Vibration Pattern to Regulate Emotion[C]// Proceedings of the 2018 ACM International Joint Conference and 2018 International Symposium on Pervasive and Ubiquitous Computing and Wearable Computers. New York: ACM, 2018.

[98] BAU O, PETREVSKI U, MACKAY W. BubbleWrap: A Textile-Based Electromagnetic Haptic Display[C]// CHI EA '09: CHI '09 Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2009.

[99] 梁德闊. 無中介性：觸覺媒體的功能、研究及實(shí)踐[J]. 現(xiàn)代傳播(中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)), 2022, 44(1): 136-145.

LIANG De-kuo. Non-Intermediary: Function, Research and Practice of Tactile Media[J]. Modern Communication (Journal of Communication University of China), 2022, 44(1): 136-145.

[100] CHA J, HO Y S, KIM Y, et al. A Framework for Haptic Broadcasting[J]. IEEE MultiMedia, 2009, 16(3): 16-27.

[101] MURAKAMI T, PERSON T, FERNANDO C L, et al. Altered Touch: Miniature Haptic Display with Force, Thermal and Tactile Feedback for Augmented Hap-tics[C]// SIGGRAPH '17: ACM SIGGRAPH 2017 Emerg-ing Technologies. New York: ACM, 2017.

[102] TALHAN A, KIM H, JEON S. Wearable Soft Pneu-matic Ring with Multi-Mode Controlling for Rich Haptic Effects[C]// SIGGRAPH '19: ACM SIGGRAPH 2019 Posters. New York: ACM, 2019: 1-2.

[103] FEDOSEEV A, TLEUGAZY A, LABAZANOVA L, et al. TeslaMirror: Multistimulus Encounter-Type Haptic Display for Shape and Texture Rendering in VR[C]// SIGGRAPH '20: ACM SIGGRAPH 2020 Emerging Technologies. New York: ACM, 2020.

[104] O'MODHRAIN S, OAKLEY I. Touch TV: Adding Feel-ing to Broadcast Media[C]// Proceedings of the Euro-pean Conference on Interactive Television: from View-ers to Actors. Brighton: University of Brighton, 2003

[105] STEVENSON A, PEREZ C, VERTEGAAL R. An Inflatable Hemispherical Multi-Touch Display[C]// Proceedings of the Fifth International Conference on Tangible, Embedded, and Embodied Interaction. New York: ACM, 2011.

[106] WANG Dang-xiao, OHNISHI K, XU Wei-liang. Mul-timodal Haptic Display for Virtual Reality: A Sur-vey[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(1): 610-623.

[107] GUO Yuan, TONG Qian-qian, LIU Xian-zhong, et al. MRS-Tex: A Magnetically Responsive Soft Tactile Device for Texture Display[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 69(11): 11531-11540.

[108] SEIFI H, CHUN M, GALLACHER C, et al. How do Novice Hapticians Design? a Case Study in Creating Haptic Learning Environments[J]. IEEE Transactions on Haptics, 2020, 13(4): 791-805.

[109] HAYWARD V, MACLEAN K E. Do It Yourself Haptics: Part I[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine, 2007, 14(4): 88-104.

[110] MACLEAN K E, HAYWARD V. Do it yourself Haptics: Part II [Tutorial[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine, 2008, 15(1): 104-119.

[111] MOUSSETTE C, BANKS R. Designing through Making: Exploring the Simple Haptic Design Space[C]// Proceedings of the Fifth International Conference on Tangi-ble, Embedded, and Embodied Interaction. New York: ACM, 2011.

[112] MARTINEZ M O, MORIMOTO T K, TAYLOR A T, et al. 3-DPrinted Haptic Devices for Educational Applications[C]// 2016 IEEE Haptics Symposium. Philadelphia: IEEE, 2016.

[113] GALLACHER C, MOHTAT A, DING S, et al. Toward open-source Portable Haptic Displays with Visual-force- Tactile Feedback Colocation[C]// 2016 IEEE Haptics Symposium. Philadelphia: IEEE, 2016.

[114] SEIFI H, FAZLOLLAHI F, OPPERMANN M, et al. Haptipedia: Accelerating Haptic Device Discovery to Support Interaction & Engineering Design[C]// Proceedings of the 2019 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2019.

Haptic Interaction Experience in Smart Homes

WANG Yun1a,2, HE LI-wen1a, WANG Dang-xiao1

(1.a.School of Mechanical Engineering and Automation, b.State Key Laboratory of Virtual Reality Technology and System, Beihang University, Beijing 100191, China; 2.a.Academy of Arts&Design. b.The Future Laboratory, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Touch, as the most direct and essential sensory channel for human beings to actively perceive and respond to the external world and other individuals, has become a research focus of interaction design and user experience design in recent years. Due to the multiple dimensions of human haptic perception, the diversity of sensing and driving technologies, and the existence of various natural tactile feedback inside the home, haptic interaction has not been fully utilized in smart home scenarios. Today, with the gradual popularization of smart home systems, haptic interaction helps smart devices to more naturally integrate into the daily life scenes familiar with users, and optimize the user experience. Based on the connotation and development trend of natural human-computer interaction in smart home, this paper discusses the natural advantages of touch the current haptic technologies, as well as determines the adequate technologies and design framework of haptic interfaces in the home context. Through a large number of case studies, it can be found that discriminating haptic interaction can reduce the cost, improve the operation efficiency, interaction naturalness and user comfort in the control, monitoring, display and security scenes of smart home, while retaining the familiar household objects and related lifestyle of users, optimize their smart living experience; at the same time, haptic interaction can also put forward new solutions and new devices in sensory enhancement, emotional communication, multimodal media and other aspects, bringing into play the unique emotion-carrying ability of touch, while expanding the immersion experience of smart home for users. In addition, a series of design tools are listed to help designers build haptic interaction experience.

smart home, haptic interaction, haptic experience, haptic interface, touchable home surface

TB472

A

1001-3563(2022)16-0037-13

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.16.004

2022–04–06

自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（62172252）

王韞（1985—），女，清華大學(xué)博士生，北京航空航天大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)楦兄X體驗(yàn)設(shè)計(jì)和跨學(xué)科設(shè)計(jì)思維教育。

王黨校（1976—），男，北京航空航天大學(xué)教授，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器觸覺、人體觸覺、醫(yī)療機(jī)器人和腦機(jī)交互。

責(zé)任編輯：陳作