劉驍彤，徐進(jìn)波，徐超，張志鵬

基于科學(xué)知識圖譜的觸覺設(shè)計研究熱點(diǎn)和趨勢分析

劉驍彤，徐進(jìn)波，徐超，張志鵬

（武漢理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，武漢 430070）

為了厘清觸覺設(shè)計在國內(nèi)外的研究脈絡(luò)，把握觸覺設(shè)計的研究基礎(chǔ)領(lǐng)域和國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，并根據(jù)科學(xué)知識圖譜結(jié)果推測其研究發(fā)展趨勢。通過搜集中國知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫和Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫里關(guān)于觸覺設(shè)計的文獻(xiàn)資料，運(yùn)用CiteSpace軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析，將國內(nèi)外對于觸覺設(shè)計的文獻(xiàn)關(guān)鍵詞頻次及其聯(lián)系用科學(xué)知識圖譜的方式表現(xiàn)出來。在分析了軟件輸出的圖譜后發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外對觸覺設(shè)計的側(cè)重點(diǎn)略有不同，主要的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?yàn)橛|覺機(jī)制與體驗(yàn)的研究、觸覺反饋的研究、觸覺傳感器的研發(fā)。并分析了觸覺設(shè)計在不同領(lǐng)域的研究進(jìn)展和不足。觸覺設(shè)計在實(shí)體產(chǎn)品和虛擬現(xiàn)實(shí)中都擁有巨大的發(fā)展前景，其中觸覺與其他知覺的聯(lián)覺體驗(yàn)、觸覺信息的編碼和虛擬現(xiàn)實(shí)中的觸覺再現(xiàn)是觸覺介入設(shè)計未來發(fā)展的重要趨勢。

觸覺設(shè)計；觸覺體驗(yàn)；信息可視化；科學(xué)知識圖譜

設(shè)計學(xué)科作為20世紀(jì)以來出現(xiàn)的新興學(xué)科，設(shè)計物開始從本能出發(fā)走向理性，從藝術(shù)品走向機(jī)械化產(chǎn)品，從生理需求走向精神需求，從實(shí)體世界走向虛擬世界。在此過程中，設(shè)計者總是把重心都放在視覺上，常常把美觀作為一件設(shè)計物好壞的評價標(biāo)準(zhǔn)。尤其是進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)以后，人的其他感覺，如觸覺、嗅覺、味覺等還沒能夠跟上視聽的腳步一起發(fā)展。觸覺設(shè)計的研究雖在近年來得到了學(xué)者們的重視，但少有學(xué)者對觸覺設(shè)計的研究歷程進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理，一直停留在定性分析的階段，缺乏使用科學(xué)知識圖譜體系的可視化定量分析研究。文章旨在利用科學(xué)知識圖譜研究觸覺設(shè)計的發(fā)展脈絡(luò)和國內(nèi)外的設(shè)計前沿趨勢，更加直觀地了解觸覺設(shè)計的應(yīng)用領(lǐng)域，并探討觸覺設(shè)計未來發(fā)展的可行方向。

1 觸覺設(shè)計的相關(guān)概念

1.1 觸覺的定義

觸覺指的是在外部刺激的作用下，人體表面的神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的尖銳、冷熱、干濕、軟硬等復(fù)合感受，用于接收外界的信息[1]。觸覺可以分為兩大類，分別是由皮膚感知機(jī)械刺激或非機(jī)械刺激的皮膚觸覺，以及感知身體受到力或力矩之后位置變化的動覺，也叫本體覺[2]。人類的皮膚深層存在著眾多的觸覺小體，這些觸覺小體也被稱為人們感受外界觸感的觸點(diǎn)，其分布不均勻，在手指指尖的指腹和人類的頭部分布較多，在背部和小腿處分布較少。人們感受物體觸感的過程是觸覺小體受到外力的刺激或壓迫產(chǎn)生微弱的電信號，并由中樞神經(jīng)將這些信號分類并傳輸給大腦，最終形成觸感[3]。觸覺對于人們來說具有情感上的訴求，初生的嬰兒最先便是由觸覺感知世界，在感覺系統(tǒng)中觸覺具有較高的地位[4]。

1.2 觸覺交互的意義和特點(diǎn)

觸覺與設(shè)計之間的橋梁是人與人造物、人與自然之間的觸覺交互，要使觸覺可以在設(shè)計中煥發(fā)動力就免不了研究觸覺交互的意義和特點(diǎn)，并且在眾多感官的交互體驗(yàn)中，觸覺交互成為近年來交互研究的重要方向[5]。觸覺交互具有真實(shí)性、多樣性、共情性等特點(diǎn)，發(fā)展觸覺在交互設(shè)計中的地位，有助于發(fā)掘人們深層的需求和真實(shí)的體驗(yàn)。

1）真實(shí)性：觸覺作為生命體在創(chuàng)生以來的第一感覺有著真實(shí)直接的特點(diǎn)，在人與外界進(jìn)行信息交互的過程中，聽覺接收的信息有限也容易被欺騙，嗅覺的參與不夠全面，視覺可能會因?yàn)橛^察角度、視覺距離、焦點(diǎn)位置的不同產(chǎn)生偏差，故有耳聽為虛，眼見也不一定為實(shí)的說法。相較于其他的人體感受器產(chǎn)生的感覺，觸覺幾乎不存在欺騙性，人體對觸覺信息的處理近乎與本能的反應(yīng)相同，當(dāng)你的手指觸摸到燒紅的金屬時會立刻將此信息傳遞到大腦，并同時操作控制器將手指收回，其過程所耗費(fèi)的時間十分短暫。真實(shí)的觸覺交互使人們在適應(yīng)環(huán)境，面對新事物的時候可以更好地把握事物的本質(zhì)。

2）多樣性：人對于信息的獲取總是依賴于五感，圖像信息可以用眼睛來捕捉，聲音信息可以用耳朵聆聽，氣味信息可以依靠鼻子息只有依賴觸覺反饋給人們的大腦。觸覺交互的多樣性讓人們可以多方位立體地感知自身環(huán)境和產(chǎn)品的本質(zhì)。當(dāng)人們在觸摸一塊木材時，可以通過不同的行為方式來獲取，從物體的質(zhì)感、表面肌理、溫度、濕度等信息到材料的種類、表面的粗糙程度、整體的重量、與肌膚接觸時的舒適度等信息，這些信息決定了人們會不會使用它，會將它使用在什么場景之下?？梢哉f，正是有了觸覺的交互體驗(yàn)，人才能夠更好地了解和認(rèn)識世界。

3）共情性：當(dāng)嬰兒從母體中分娩之際還未睜開眼睛，第一個能從外界接收到信息的感官便是觸覺，人與人之間的相互擁抱產(chǎn)生的溫暖感，便是從出生之時就留下的觸覺記憶。觸覺可以給人留下很深刻的情感體驗(yàn)，但是在大多數(shù)人的印象中觸覺體驗(yàn)好像是即時性的，作為最早進(jìn)化發(fā)展的感覺，觸覺的體驗(yàn)感其實(shí)是埋藏在人內(nèi)心深處的，一旦有類似的觸覺產(chǎn)生便會勾起那一段專屬的回憶[6]。如原研哉為1998年長野冬奧會設(shè)計的慶典手冊就運(yùn)用了特殊材料的紙張，其上是冰冷的觸感，并用燙透和壓凹的技法將文字印刻在紙面上，經(jīng)過熱效應(yīng)讓文字產(chǎn)生一種蓬松柔軟的質(zhì)感。當(dāng)人們用手去觸摸時，有一種摸在綿密的雪面上的感覺，從而勾起人們對于雪后街道上堆積的厚厚一層雪花的記憶，其上的文字猶如一個個踏雪的腳印，一步一步走進(jìn)人們的心里[7]。觸覺交互的共情性可以更多地被利用在設(shè)計之中，更加能體現(xiàn)設(shè)計的關(guān)懷。

1.3 交互設(shè)計下的觸覺體驗(yàn)

觸覺體驗(yàn)作為人們接收信息的重要通道，隨著時代的發(fā)展產(chǎn)生著變化。實(shí)體的觸覺交互體驗(yàn)中，人們感知物體的觸覺手段是對真實(shí)物體進(jìn)行觸摸、按壓、托舉等行為。影響觸覺體驗(yàn)的因素包括物體的材料、表面加工的工藝和自身的重量。進(jìn)入信息時代后，觸覺體驗(yàn)由原來的實(shí)體交互慢慢向虛擬交互進(jìn)行過渡，在虛擬世界中每個人都是“不健全”的，僅憑視覺聽覺感知信息的模式已經(jīng)逐漸不能滿足人們的精神情感需求。因此，利用觸覺交互可以彌補(bǔ)人們在未來虛擬場景下，獲取信息通道單一和心理上的沉浸式感受匱乏等問題[8]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

在進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和整理，科學(xué)文獻(xiàn)僅是知識的第一層次，而科學(xué)文獻(xiàn)的集合則是知識的第二層次[9]。首先針對國內(nèi)的CNKI數(shù)據(jù)庫，限定年限范圍從2000年至2022年，以“觸覺”與“設(shè)計”作為關(guān)鍵詞進(jìn)行并集檢索，共得到中文文獻(xiàn)562篇。主題為觸覺傳感器、觸覺設(shè)計、平面設(shè)計、包裝設(shè)計的文獻(xiàn)占據(jù)了前四名，見圖1。其次在Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫，以觸覺設(shè)計（haptic design）及它的近義詞（touch design、tactile design）作為關(guān)鍵詞進(jìn)行主題詞綜合檢索搜索，主要目的是盡可能地覆蓋所有涉及觸覺設(shè)計的文章，保證檢索的查全率。限定年限范圍從2000年至2022年后，共得到的文獻(xiàn)數(shù)量為6 700多篇，再通過人工清洗無關(guān)的學(xué)科。最后按相關(guān)性與被引量綜合排序，選取了1 000篇文獻(xiàn)作為樣本以保證檢索的查準(zhǔn)率。根據(jù)陳美超學(xué)者的觀點(diǎn)來看，分析弱相關(guān)性的文獻(xiàn)最終會使科學(xué)知識圖譜中出現(xiàn)過多的無關(guān)聚類或分支，因此采用全面檢索加數(shù)據(jù)清洗的方法盡量避免拒真錯誤和取偽錯誤。文獻(xiàn)整理導(dǎo)出后，采用2022版CiteSpace6.1.R3（64-bit）對關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)、聚類和突變分析。

圖1 觸覺設(shè)計主題分布

CiteSpace 是美國著名華裔學(xué)者陳超美應(yīng)用Java語言開發(fā)的一個可視化軟件，它主要基于共引分析理論和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法等，將研究者確定好知識范圍的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化的轉(zhuǎn)換。科學(xué)知識圖譜可以讓筆者對自己的研究方向有更加精練的理解，可以用更短的時間找到最為精確的論文，在面對如此冗雜的知識海洋時可以對研究領(lǐng)域的中心要點(diǎn)加以提煉，并以圖形圖表的方式呈現(xiàn)出來[10]。

3 國內(nèi)外觸覺設(shè)計文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可視化分析

3.1 國內(nèi)外觸覺設(shè)計的文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)與聚類

關(guān)鍵詞作為文章被檢索的關(guān)鍵信息，其與文章的主要內(nèi)容相互契合，是整篇論文的核心詞語提煉，分析關(guān)鍵詞有助于筆者發(fā)現(xiàn)研究對象的研究熱點(diǎn)和趨勢，找到研究的相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入了解。

3.1.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

使用CiteSpace進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化的第一步是對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，軟件提供了三種用于計算網(wǎng)絡(luò)中連接強(qiáng)度的算法，分別是Cosine相似度算法、Jaccard相似度算法和Dice相似性系數(shù)。Cosine可以表示兩個文本向量方向之間的相似性，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)上的差異而非距離上的關(guān)系，Jaccard相似度算法用于計算文本集中相似特征的概率問題，而Dice算法則可以計算兩個文本字符串的相似度。CiteSpace在處理數(shù)據(jù)集時使用的算法是，比較計算對象的共現(xiàn)次數(shù)與對象出現(xiàn)的總共現(xiàn)次數(shù)之比來反映數(shù)據(jù)文本的相似性，是集合論思想的重要體現(xiàn)，比較符合數(shù)據(jù)集數(shù)量不大的樣本進(jìn)行研究，也是本研究選取其作為可視化分析工具的重要原因。

國內(nèi)有關(guān)觸覺設(shè)計的文獻(xiàn)數(shù)量比較少，根據(jù)CiteSpace的關(guān)鍵詞共現(xiàn)可以看到節(jié)點(diǎn)共有431個，連線684條，網(wǎng)絡(luò)連接密度為0.007 4，見圖2。研究者一般將節(jié)點(diǎn)設(shè)置為圓形，節(jié)點(diǎn)越大，所表示的圖形大小也越大，字號也就越大。由圖中可以看出圍繞觸覺的設(shè)計研究有很多關(guān)鍵詞，篩選出比較重要的一些關(guān)鍵詞可以看到大多數(shù)以觸覺作為主要的出發(fā)點(diǎn)，在設(shè)計的各個層面上都有所涉及，同時在研究觸覺設(shè)計的時候也離不開其他感知覺的參與。

對國外觸覺交互設(shè)計的1 000篇文章進(jìn)行分析，可以看到獲得的節(jié)點(diǎn)有568個，節(jié)點(diǎn)之間的連線共1 381條，網(wǎng)絡(luò)連接密度為0.008 6，見圖3。國外的文獻(xiàn)中將觸覺傳感器的研究作為重點(diǎn)，更多的是研究觸覺設(shè)計中的設(shè)備，幾乎很少看到平面包裝類的關(guān)鍵詞。同時觸覺展示、觸覺反饋、觸覺圖像也被作為觸覺交互設(shè)計中的熱門詞匯從而被提及。節(jié)點(diǎn)的圖形顏色選用的是彩虹色，可以更好地反映出該關(guān)鍵詞在研究時間上的衰變情況，例如外圈越接近紅色即證明該詞匯在近年來被提及的次數(shù)越多，相反越接近紫色即為越少[11]。

3.1.2 關(guān)鍵詞聚類分析

在CiteSpace中進(jìn)行聚類分析可以有效地看出眾多文獻(xiàn)研究的關(guān)鍵詞類別和相互關(guān)聯(lián)性，CiteSpace依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和聚類的清晰度，提供了Modularity和Silhouette指標(biāo)，即模塊值（）和平均輪廓值（）兩個指標(biāo)，它可以作為評判圖譜繪制效果的一個依據(jù)。在知網(wǎng)中進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類的結(jié)果，取其中的前十類表示，見圖4，此時的結(jié)果為0.715 7>0.3，意味著聚類劃分出的類別具有顯著性，為0.919 4>0.7，表示聚類的效果是令人信服的，此時的知識圖譜繪制的結(jié)果較為理想。在國內(nèi)的文獻(xiàn)聚類分析研究中，可以看到交互設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、包裝設(shè)計、平面設(shè)計與觸覺的聯(lián)系較為緊密，為盲人提供的設(shè)計需要考慮觸覺和聽覺的共同作用，以便達(dá)到讓其接受更多信息的目的。國內(nèi)對于觸覺反饋的研究卻明顯與其他的設(shè)計領(lǐng)域脫離，鮮有國內(nèi)學(xué)者將與觸覺反饋有關(guān)的信息技術(shù)與設(shè)計學(xué)科結(jié)合進(jìn)行研究?？偟膩碚f，國內(nèi)對于觸覺交互設(shè)計的研究以實(shí)體產(chǎn)品為主，對觸覺裝備和觸覺機(jī)制的研究還略顯不足。

圖2 國內(nèi)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖

圖3 國外關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖

圖4 國內(nèi)關(guān)鍵詞聚類圖

在CiteSpace繪制的聚類時區(qū)圖中，可以看到觸覺設(shè)計在我國的發(fā)展大致可以分為3個階段，見圖5。第1個階段是2003年至2007年，此階段為國內(nèi)觸覺設(shè)計研究的爆發(fā)期，以觸覺為基礎(chǔ)的技術(shù)研究在觸覺的機(jī)制、觸覺在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用和觸覺傳感器的研發(fā)上都如井噴狀呈現(xiàn)，很明顯在這一階段里人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)僅靠視覺在設(shè)計中傳遞信息的方式是有限的，比如盲人如何獲取更多的產(chǎn)品信息，是當(dāng)時人們需要考慮的問題。第2個階段為2007年至2015年，這個階段主要是根據(jù)觸覺設(shè)計的理論基礎(chǔ)進(jìn)一步加深應(yīng)用領(lǐng)域的研究，如觸覺可以在平面設(shè)計、包裝設(shè)計、交互設(shè)計中得到發(fā)展，諸多設(shè)計類文章在此階段涌現(xiàn)而出。第3個階段是2015年至今，觸覺的基礎(chǔ)性研究還在繼續(xù)，觸覺與交互設(shè)計的聯(lián)系也更加緊密，同時在此階段國內(nèi)對于觸覺反饋的研究也邁出了新的一步，觸覺反饋技術(shù)是通過電刺激、震動刺激、壓力刺激等手段，人為地再現(xiàn)觸覺的方法[12]，中國的學(xué)者正由于信息技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的涌入，也開始了非實(shí)體的觸覺交互技術(shù)的研究。

接著對Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫中與觸覺設(shè)計相關(guān)的1000篇文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞的聚類分析，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的和都達(dá)到了顯著性的要求，證明了此次聚類的結(jié)果是具有可信性的，見圖6。在圖6中筆者發(fā)現(xiàn)，圍繞著觸覺顯示的主題其他的聚類結(jié)果都聯(lián)系得比較緊密，表明在國外對于觸覺設(shè)計的研究中各個學(xué)科的相互交叉比較深入。與國內(nèi)不同的是，國外對于觸覺設(shè)計的研究并沒有太多涉及實(shí)體產(chǎn)品設(shè)計的內(nèi)容，更多的研究精力都放在了觸覺感應(yīng)（tactile sensing）、觸覺傳感器（tactile sensor）、電子皮膚（electronic skin）相關(guān)的研究上，值得一提的是國外在很早之前就開始了觸覺網(wǎng)絡(luò)（tactile internet）的研究，將現(xiàn)實(shí)觸覺與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)系，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)之中的觸覺需求。

圖5 國內(nèi)關(guān)鍵詞時區(qū)圖

圖6 國外關(guān)鍵詞聚類圖

3.2 國內(nèi)外觸覺設(shè)計的文獻(xiàn)關(guān)鍵詞突現(xiàn)

CiteSpace使用的層次聚類算法是以名詞性術(shù)語來探究學(xué)科熱點(diǎn)的，所以可以更好地反映研究領(lǐng)域的活躍程度和最新趨勢[13]。如在國內(nèi)的關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜中，可以看到紅色的長條越長表明這個關(guān)鍵詞的研究年限越長，突現(xiàn)的強(qiáng)度也就越強(qiáng)，見圖7，材料科學(xué)在2009年開始被用來研究影響觸覺的基本因素，包裝設(shè)計在我國長時間地運(yùn)用觸覺來改善其設(shè)計構(gòu)成，而最新的研究則圍繞著觸覺反饋、觸覺感知、虛擬現(xiàn)實(shí)和觸覺體驗(yàn)，這為筆者后續(xù)的研究趨勢分析提供了基礎(chǔ)。

與國內(nèi)的研究不同，國外對于觸覺反饋的研究早在2008年便開始了，并且持續(xù)的時間非常長，衰變得較久，見圖8。早年間外國的研究者更喜歡對觸覺信息進(jìn)行研究，對觸覺傳感器（也就是可穿戴的觸覺裝備）具有較高的研究興趣。近年來，國外的觸覺設(shè)計的研究者則更加注重觸覺網(wǎng)絡(luò)、電子皮膚、觸覺感知方面的研究。

圖7 國內(nèi)關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖

圖8 國外關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖

4 國內(nèi)外觸覺設(shè)計研究熱點(diǎn)和趨勢

根據(jù)科學(xué)知識圖譜得到的信息數(shù)據(jù)可視化結(jié)果來看，中外的觸覺設(shè)計研究側(cè)重點(diǎn)略有不同，國內(nèi)將觸覺應(yīng)用在設(shè)計中的內(nèi)容大部分為實(shí)體產(chǎn)品的交互，包括平面設(shè)計、包裝設(shè)計和書籍裝幀設(shè)計等，對于觸覺的理論研究內(nèi)容比較單薄，鮮有以數(shù)據(jù)支撐的觸覺機(jī)制的理論研究。國外在觸覺設(shè)計的研究上主要偏重于觸覺傳感的技術(shù)研究，觸覺反饋的路徑研究等，相較于國內(nèi)更為理性和具體，基礎(chǔ)理論的研究充足。針對以上圖表和翻閱的數(shù)百篇精選論文可以得到以下結(jié)論。

4.1 國內(nèi)外觸覺設(shè)計的研究熱點(diǎn)

由圖4和圖6可知，觸覺設(shè)計在國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題上略有不同的側(cè)重，設(shè)定軟件給出的前10個聚類類別分別為國內(nèi)：#0觸覺、#1觸覺傳感器、#2產(chǎn)品設(shè)計、#3平面設(shè)計、#4聽覺、#5盲人、#6交互設(shè)計、#7包裝設(shè)計、#8觸覺感知、#9觸覺反饋，以及國外：#0觸覺展示（tactile display）、#1觸覺傳感器（tactile sensor）、#2視力障礙（visual impairment）、#3觸覺圖形（tactile graphics）、#4電子皮膚（electronic skin）、#5觸覺感應(yīng)（tactile sensing）、#6觸覺反饋（tactile feedback）、#7力和觸覺感應(yīng)（force and tactile sensing）、#8表面聲波（surface acoustic wave）、#9觸覺交互（tactile internet）。去除觸覺、聽覺等基礎(chǔ)詞匯，使用最鄰近分類方法對上述聚類類別進(jìn)行整理，可以在圖中根據(jù)聚類范圍及各類別的重疊相交關(guān)系，得到關(guān)于觸覺設(shè)計的研究熱點(diǎn)為觸覺機(jī)制與體驗(yàn)的研究、觸覺反饋的研究、觸覺傳感器的研發(fā)[14]。

4.1.1 觸覺機(jī)制與體驗(yàn)的研究

觸覺在生理機(jī)制上是如何形成的，它究竟會給人們帶來什么樣的觸覺體驗(yàn)是研究觸覺的基礎(chǔ)。周麗麗等[15]于2017年發(fā)表的《觸覺信息處理及其腦機(jī)制》中就表明了，人類感知觸覺的對象不僅是簡單的人造物或自然物，也包括了自然環(huán)境的感知。Petersen[16]的文章對觸覺感受的閾值進(jìn)行了探討，在外界刺激引發(fā)人體觸覺感受的同時，觸覺體驗(yàn)的形成是由身體的各個不同神經(jīng)細(xì)胞共同協(xié)力完成的信息傳遞，人體的觸覺感知的閾值存在著一個下限，它可以為人們的情緒體驗(yàn)提供一個更好的抒發(fā)途徑。Okamoto[17]發(fā)表的文章中總結(jié)了由材料影響的觸覺心理感受層級的分類，將物理的觸覺感受分為了冷暖、干濕、尖銳和柔軟等心理層次，并對影響他們的因素進(jìn)行了心理學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析，最終得出結(jié)論為材料的表面性質(zhì)可以決定人們在使用它時的心理情緒。學(xué)者們對于觸覺機(jī)制的研究有了新的認(rèn)識，并且向著觸覺體驗(yàn)的方向發(fā)展，觸覺可以影響人們的情緒已經(jīng)被證實(shí)，但仍需要在此基礎(chǔ)上與生物學(xué)、神經(jīng)學(xué)科領(lǐng)域多加結(jié)合。

4.1.2 觸覺反饋的研究

觸覺的反饋系統(tǒng)可以更好地將觸覺信號傳遞給人們，從而達(dá)到控制和創(chuàng)造觸覺信息材料的目的。徐超義在其學(xué)位論文中就將圖像的粗糙程度用力觸覺反饋系統(tǒng)表達(dá)了出來[18]，為人們在虛擬環(huán)境下認(rèn)識圖像的觸覺感知提供了有力的理論基礎(chǔ)。宋愛國在他的研究文章《多模態(tài)力觸覺交互技術(shù)及應(yīng)用》中提到了力觸覺反饋是觸覺再現(xiàn)的理論研究基礎(chǔ)，通過力學(xué)的刺激可以虛擬各種不同的觸覺感知，再從觸覺交互設(shè)備中再現(xiàn)物體的肌理、溫度、表面質(zhì)感等觸覺特征。Sundaram[19]在中表明，從人類抓握的觸覺特征中獲得的見解可以幫助假肢機(jī)器人抓取工具和完成人機(jī)交互。觸覺反饋的發(fā)展方向是觸覺交互的信息處理和收集需要更加專業(yè)地建模、計算、融合和表達(dá)；觸覺反饋設(shè)備的輕量化、便攜化將決定力觸覺再現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)可能性；觸覺交互系統(tǒng)的多通道集成與連接將在人機(jī)交互系統(tǒng)中讓觸覺實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信息的再現(xiàn)，但同時也存在無法記錄和分析觸覺信號的問題。

4.1.3 觸覺傳感器的研發(fā)

觸覺傳感器主要是機(jī)器人用來感知外界刺激，形成模擬觸覺的設(shè)備。觸覺再現(xiàn)技術(shù)與新型材料的研究是觸覺傳感器研發(fā)的基礎(chǔ)和載體。觸覺傳感器的研發(fā)也將有利于機(jī)器人更好地了解和適應(yīng)周邊身處的環(huán)境，并進(jìn)行高精尖作業(yè)。國內(nèi)的學(xué)者劉虎林[20]在他的學(xué)位論文中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有的觸覺傳感器的測量和再現(xiàn)的功能不夠精細(xì)，不能完成宇航員在太空中收集信息和傳輸信息的需求。他提出了一種仿人手指的觸覺傳感器系統(tǒng)設(shè)計，可以從多模態(tài)的信息角度輔助太空宇航員機(jī)器人將收集到的觸覺信息轉(zhuǎn)換為圖像形式，可以前瞻性地應(yīng)用于未來的航空航天事業(yè)之中。Dargahi等[21]針對微創(chuàng)手術(shù)存在的工具與術(shù)者失去觸覺聯(lián)系的問題，提出了一種新型的壓阻式觸覺傳感器的設(shè)計思路和測試。利用新材料在微創(chuàng)手術(shù)工具上的使用，可以通過壓阻力來測量物體之間的相互阻力、軟硬程度和手術(shù)隱藏硬塊的相對位置，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試證明了其可行性。 Drimus[22]在他的文章中，提出了可以用柔性材料制作的觸覺傳感器，來使機(jī)器人通過兩爪抓握的行為方式識別剛性物體和塑性物體，再測量觸覺傳感器之間的距離，便可使機(jī)器人擁有簡單的觸覺感知的功能。

4.2 觸覺設(shè)計主要的應(yīng)用領(lǐng)域

基于觸覺設(shè)計國內(nèi)外研究熱點(diǎn)的分析及聚類類別的共性提取，可以得到觸覺在設(shè)計中的具體應(yīng)用領(lǐng)域有以下5個重點(diǎn)研究方向。

1）平面和包裝設(shè)計。視覺與觸覺在平面設(shè)計中并沒有主次之分，張?jiān)破鎇23]提出視覺給予人們審美的沖擊力和感召力，而觸覺的體驗(yàn)性則為平面審美提供了深遠(yuǎn)的情緒影響，視覺審美與觸覺審美的相互結(jié)合才會讓藝術(shù)作品散發(fā)出更加長久的生命氣息。馬富仲[24]在2017年發(fā)表的論文《材料的觸覺特質(zhì)在包裝設(shè)計中的作用》中，指出了觸覺可以通過包裝設(shè)計來塑造品牌的特有形象，獨(dú)特的觸覺記憶可以讓人們對產(chǎn)品的形象有更加深刻的理解，對文化的傳承和傳播也有其重要的作用。Nansen 等[25]在論文中發(fā)現(xiàn)兒童對于流動的視覺更為滿意，并提出視觸覺可以提高用戶對平面材料的關(guān)注程度。在視覺為主導(dǎo)的平面設(shè)計中，人們獲取美的形式漸漸變得單一化，觸覺的介入可以讓平面設(shè)計由二維的局限性向三維立體的形式轉(zhuǎn)化[26]。

2）特殊人群的無障礙設(shè)計。針對一些特殊群體的無障礙設(shè)計而言，觸覺的重要程度甚至高于視覺在設(shè)計中的地位，比如盲人由于先天或后天的原因失去了視覺機(jī)制，如何幫助他們打開另一扇獲取信息的窗戶，是設(shè)計師在設(shè)計中要考慮的首要問題。祁彬斌等[27]學(xué)者在面向盲人閱讀的問題時構(gòu)建了一種觸覺交互式的閱讀平臺。該平臺利用盲人的認(rèn)知需求和感知特征作為基礎(chǔ)，以筆式觸覺再現(xiàn)設(shè)備為輔助，將盲人的閱讀平臺從傳統(tǒng)的聽覺補(bǔ)償向觸覺補(bǔ)償轉(zhuǎn)化，并用心理學(xué)、行為學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺的可行性。Kalra[28]在中為視障人士創(chuàng)建了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面，通過觸覺手套裝置讓用戶更好地觸摸和感受物理交互來彌補(bǔ)視覺上的缺失。觸覺設(shè)計在盲人的無障礙設(shè)計中得到了應(yīng)用，但還需要向老年人和其他特殊人群展開研究。

3）基于觸覺體驗(yàn)的情感化設(shè)計。觸覺作為最能引起人們情緒體驗(yàn)的感覺之一，是當(dāng)前最值得被考慮到情感化設(shè)計之中的要素。寧紹強(qiáng)等[29]在針對廣西壯族自治區(qū)欽州坭興陶的文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計中，使用了觸覺體驗(yàn)的記憶效果，將當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)文化經(jīng)過再生創(chuàng)造，形成特殊的文化詞匯和圖形，再根據(jù)感性工學(xué)的理論基礎(chǔ)研究當(dāng)?shù)厝说挠|覺印象，用計算機(jī)建模模擬出觸覺圖像幫助人們引起文化記憶和情感協(xié)同。Dalsgaard等[30]將空中力觸覺刺激分成了17種感覺與23種體驗(yàn)的映射，為后續(xù)用戶體驗(yàn)帶來優(yōu)化。人們由觸覺感知的信息構(gòu)架了設(shè)計師與用戶之間的情感聯(lián)系橋梁，觸覺設(shè)計也體現(xiàn)了設(shè)計中的人文關(guān)懷，但同時觸覺記憶與觸覺體驗(yàn)的關(guān)系還需要進(jìn)一步深入研究。

4）電子皮膚等觸覺可穿戴設(shè)備。由于觸覺傳感器研究的進(jìn)一步深入，人造電子皮膚、觸覺再現(xiàn)手套、觸感手柄等可穿戴設(shè)備也進(jìn)入了人們的視野。電子皮膚在智慧醫(yī)療、康復(fù)復(fù)建、工業(yè)生產(chǎn)和虛擬現(xiàn)實(shí)中有著巨大的發(fā)展前景[31]。電子皮膚和其他觸覺可穿戴設(shè)備的研究瓶頸在于材料科學(xué)的進(jìn)步和突破，新型材料的設(shè)計介入將使觸覺可穿戴設(shè)備有更加堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。Kmi等[32]在-中，就提到了可以運(yùn)用液態(tài)金屬通過電子線路3D集成的手段，制造出一種全軟式、高度集成的可穿戴式仿生物手指，可以在醫(yī)療保健和機(jī)器生產(chǎn)等高精度要求的條件下運(yùn)用。

5）虛擬世界中觸覺網(wǎng)絡(luò)的建立。在未來，虛擬觸覺的研究將會是不可避免的，人們在虛擬世界中缺少觸覺的體驗(yàn)和反饋，以至于很多任務(wù)的完成效率不高、體驗(yàn)不好。國內(nèi)的學(xué)者鐘正等[33]在其發(fā)表的論文《基于觸覺反饋的沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計》中提到，為了讓學(xué)生更好地全身心投入到虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)場景中去，利用觸覺傳感裝備也就是觸感筆進(jìn)行觸覺信號的模擬，運(yùn)用力學(xué)振動和電位刺激將學(xué)生的書寫感受盡可能還原。Bhattacharje等[34]學(xué)者運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將物體的紋理和表面流動性能用空間模式以觸覺信號的方式傳入到人的手指，探究了主動觸覺和被動觸覺的不同體感誘發(fā)電位。研究虛擬世界中觸覺網(wǎng)絡(luò)的建立有助于人們發(fā)揮自己的感知特長，提高沉浸式交互體驗(yàn)。

4.3 觸覺設(shè)計的研究趨勢分析

對圖7和圖8中觸覺設(shè)計的關(guān)鍵詞突現(xiàn)進(jìn)行分析可以看出，國內(nèi)外最新的研究內(nèi)容已經(jīng)從實(shí)體產(chǎn)品觸覺設(shè)計向觸覺體驗(yàn)設(shè)計和虛擬觸覺再現(xiàn)設(shè)計進(jìn)行轉(zhuǎn)變。至今仍在大量出現(xiàn)的關(guān)鍵詞有觸覺感知、觸覺傳感器、虛擬現(xiàn)實(shí)、觸覺體驗(yàn)、觸覺再現(xiàn)，通過上文對觸覺設(shè)計研究熱點(diǎn)的研究，再針對每個類別的文獻(xiàn)中最新發(fā)表和被引量最高的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，總結(jié)出觸覺與其他知覺的聯(lián)覺體驗(yàn)，這是研究觸覺體驗(yàn)的未來方向，觸覺信息的編碼研究會不斷豐富觸覺反饋機(jī)制的基礎(chǔ)性研究，虛擬現(xiàn)實(shí)中的觸覺再現(xiàn)是觸覺傳感器研發(fā)的具體應(yīng)用場景。這些研究前景與關(guān)鍵詞突現(xiàn)中的觸覺體驗(yàn)、觸覺網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等關(guān)鍵詞相互印證。

4.3.1 觸覺與其他知覺的聯(lián)覺體驗(yàn)

當(dāng)前研究中關(guān)于視觸覺的研究比較豐富，但缺乏五感之間的觸覺聯(lián)動，黃志雄[35]在他的學(xué)位論文中就指出，運(yùn)用感官體驗(yàn)的方法指導(dǎo)設(shè)計有利于用戶增強(qiáng)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。多通道體驗(yàn)的設(shè)計作品也將為鑒賞者帶來身臨其境的心流體驗(yàn)及未來的美好回憶。在“以人為本”的設(shè)計態(tài)勢下，觸覺的參與意味著擴(kuò)大了用戶的感知范圍，帶來人與產(chǎn)品更加豐富多彩的情感連接。

4.3.2 觸覺信息的編碼

對機(jī)器人觸覺反饋的研究是國內(nèi)外共同的研究重點(diǎn)，觸覺反饋技術(shù)需要將觸覺信息編碼分類，再運(yùn)用計算機(jī)分類歸檔建模，才可以優(yōu)化完善機(jī)器觸覺，更好地服務(wù)于航天、醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)、電子皮膚等高精尖鄰域之中，但對計算機(jī)系統(tǒng)來說是一個相當(dāng)龐大的信息工程[36]。觸覺信息的編碼也少不了各個學(xué)科之間的通力合作，在未來的研究中，還需要在觸覺機(jī)制的基礎(chǔ)研究中進(jìn)行突破。

4.3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)中的觸覺再現(xiàn)

數(shù)字化信息化的道路是不可逆的，每個人在虛擬世界中的感官都受到了限制，視聽的強(qiáng)烈沖擊讓人們逐漸遺忘了觸覺的重要地位。陳思等學(xué)者在研究中表明觸覺從觸覺感知到觸覺智能是人工智能向更高層次的類人智能邁進(jìn)的重要路徑，人們在虛擬世界中得到的觸覺再現(xiàn)可以獲得觸覺仿真的真實(shí)感[37]。例如網(wǎng)購時缺少的觸覺體驗(yàn)，可以將購買物的觸覺信息上傳到系統(tǒng)，消費(fèi)者可以通過虛擬觸覺的映射找到自己喜歡的商品；人與人之間的視頻通話交流時，不僅可以投影出別人的影像，還可以觸摸和感知到另一方的身體，大大加強(qiáng)了人們遠(yuǎn)距離的聯(lián)系；在虛擬展覽數(shù)字藝術(shù)鑒賞時，不僅可以通過云端觀看展品的形式樣貌，還可以用觸覺設(shè)備觸摸體會其質(zhì)感紋理，打破了實(shí)體展品僅供觀賞的局限性。

5 結(jié)語

運(yùn)用科學(xué)知識圖譜呈現(xiàn)出的知識結(jié)構(gòu)更加直觀，通過分析1 500多篇國內(nèi)外有關(guān)觸覺設(shè)計的文獻(xiàn)，梳理了觸覺設(shè)計在近20多年以來的研究脈絡(luò)。發(fā)現(xiàn)觸覺作為與人情感體驗(yàn)息息相關(guān)的感覺，可以更好地服務(wù)于產(chǎn)品對于人的心理需求的作用。對觸覺體驗(yàn)、觸覺反饋、觸覺傳感器的研究是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，同時在觸覺機(jī)制的基礎(chǔ)研究、觸覺信息的編碼和觸覺智能等方面還存在不足。在研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域中筆者發(fā)現(xiàn)觸覺所聯(lián)系的學(xué)科范圍十分廣泛，需要依靠心理學(xué)、行為學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)器人科學(xué)、醫(yī)學(xué)、社會學(xué)、信息工程技術(shù)等知識。不管是實(shí)體的觸覺交互形式還是虛擬現(xiàn)實(shí)中的觸覺再現(xiàn)，觸覺將不可避免地深入未來設(shè)計的基本框架中。本研究試圖通過定量和定性的相結(jié)合的研究方法來分析觸覺設(shè)計的研究熱點(diǎn)與趨勢，但所取得有關(guān)觸覺設(shè)計的文獻(xiàn)樣本容量還不夠完備，分析過程中對一些關(guān)鍵詞的解讀還有待完善，希望可以為未來的觸覺設(shè)計提供文獻(xiàn)參考。

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Research Hotspots and Trend Analysis of Tactile Design Based on Scientific Knowledge Graph

LIU Xiaotong, XU Jinbo, XU Chao, ZHANG Zhipeng

(School of Art and Design, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to clarify the research context of tactile design in China and abroad, grasp its basic research fields and research hotspots in China and abroad, and infer its research development trend based on the results of scientific knowledge graph. By collecting the literature on tactile design in CNKI database and Web of Science core collection database, CiteSpace software was used to visualize and analyze the data, and the key word frequency and relationship between Chinese and foreign literature on tactile design were expressed in the form of scientific knowledge graph. Through the analysis on the graph output by the software, it was found that the focus of tactile design in China and abroad was slightly different, and the main basic research fields were the research of tactile mechanism and experience, the research of tactile feedback, and the research and development of tactile sensors. The research progress and shortcomings of tactile design in different fields were analyzed. The tactile design has great development prospects in both physical products and virtual reality, among which the synesthetic experience of tactile and other perceptions, the encoding of tactile information and the tactile reproduction in virtual reality are important trends in the future development of tactile interventional design.

tactile design; tactile experience; information visualization; scientific knowledge graph

TB472

A

1001-3563(2024)08-0096-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.011

2023-12-13