可穿戴設(shè)備中振動刺激式觸覺人機交互研究

楊 流，唐婉茵

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 湖北 武漢 430074）

長久以來的單一信息傳遞方式使人們對視覺通道產(chǎn)生過度依賴，從而導(dǎo)致視覺信息過載。隨著可穿戴設(shè)備及虛擬實境技術(shù)的不斷發(fā)展，觸覺通道對人體產(chǎn)生的影響日益得到重視。

相較于單一的視覺通道所獲取的接受性信息而言，觸覺式交互系統(tǒng)則更具雙向性?？纱┐髟O(shè)備研究中，人體觸覺人機交互對于研究者的心理物理學(xué)及工程學(xué)研究能力具有一定要求，不僅需具有心理物理學(xué)理論基礎(chǔ)，且具備研究過程中所需儀器的設(shè)計與實現(xiàn)能力。由于在研究中需要對于人體感覺進行定量測量，故對儀器的精準(zhǔn)度要求甚高，需擁有精確的感知能力。

現(xiàn)階段發(fā)展中，可穿戴設(shè)備產(chǎn)品主要集中于三類產(chǎn)品：以手腕為支撐的watch類（含手表和腕帶等產(chǎn)品），以腳為支撐的shoes類（含鞋、襪或者將來的其他腿上佩戴產(chǎn)品），以頭部為支撐的Glass類（包括眼鏡、頭盔、頭帶等）。其中，以手腕為支撐的watch類產(chǎn)品占據(jù)目前市面上可穿戴設(shè)備的百分之七十左右。換言之，穿戴設(shè)備在生活中的拓展與實際應(yīng)用仍留有極大探索空間。

所幸，人體觸覺感受的相關(guān)研究一直在向前邁進，在一些目前尚未為廣大消費群體高度關(guān)注的領(lǐng)域，仍有許多研究人員為使可穿戴設(shè)備應(yīng)用于更多場景而不懈努力。

以TSAS可穿戴背心為例[1]，研究人員將帶有可控制氣體釋放的閥門控制器置入若干微型裝置，并將其以矩陣聯(lián)結(jié)模式有序排布于背心上，使每個聯(lián)結(jié)點皆對應(yīng)相應(yīng)控制閥門。閥門打開時，釋放氣體沖出而使人體皮膚對該裝置產(chǎn)生感應(yīng)，即可以氣流沖擊傳遞信息。而不同的閥門對應(yīng)于不同的信號，飛行員則在專業(yè)訓(xùn)練中熟記各個閥門所代表的不同信號，該背心的所有空氣閥門裝置將向飛行員傳遞整個飛機包括方向、速度在內(nèi)的全部飛行狀態(tài)。飛行員將背心貼身穿戴，以便敏捷辨別各類信息。經(jīng)測試，在經(jīng)過對于該背心的專業(yè)感應(yīng)訓(xùn)練后，飛行員甚至可以蒙上雙眼在無法看見任何儀器及路線狀況的情況下安全駕駛飛機飛行，順利完成一系列復(fù)雜的飛行測試。

同時，也有研究人員將以此為延伸的觸覺感知穿戴設(shè)備轉(zhuǎn)向軍事領(lǐng)域研究，除指揮作戰(zhàn)與日常監(jiān)管外，多用于武器裝備[2]。如團隊協(xié)作作戰(zhàn)時，為避免暴露己方人員或目標(biāo)，隊員間常以約定手勢信號溝通，然此舉仍是基于視覺通道的信息傳遞。若能將前文穿戴背心之工作原理轉(zhuǎn)換為振動器的矩陣排布，應(yīng)用于作戰(zhàn)裝備之中，輔以一定訓(xùn)練，便可借由信號點所傳遞的信息了解各單位人員相對位置，甚至可用于傳達簡單信號，以期分擔(dān)部分視覺傳輸通道之負(fù)載。此外，美軍陸軍研究實驗室（ARL）的機械工程師Dan Baechle所測試的“MAXFAS”手臂外骨骼系統(tǒng)可有效減弱手臂在射擊訓(xùn)練時所產(chǎn)生的振感，并以其對于射擊動作的智能記憶縮短訓(xùn)練周期，不僅可減少彈藥與經(jīng)費消耗，其更大的意義在于在戰(zhàn)斗中輔助使用者快速瞄準(zhǔn)并射擊目標(biāo)[3]。

圖1 “MAXFAS”手臂外骨骼系統(tǒng)（圖片取自ianpo）

就市場占有率而言，雖目前可穿戴設(shè)備的振動器大多是以單一振動源進行信息提示或交流，然對于多個振動器的共同作用方式的相關(guān)研究亦從未止步，嘗試以更多的組合方式傳達更多維度的信號及將振動器組合排列所產(chǎn)生的關(guān)于方向性的傳遞功能也是現(xiàn)階段研究人員所關(guān)注的領(lǐng)域。

在此類型的實驗中，由Frank Geldard和普林斯頓大學(xué)的Carl Sherrick發(fā)現(xiàn)的被稱為“Cutaneous rabbit illusion”的觸覺錯覺研究對于后來的陣列振感研究有較大的推動作用[4]。該實驗發(fā)現(xiàn)，若將兩個或以上的振動傳感器有序排列于被試者身體部位，同時調(diào)試使得振動器快速有序地發(fā)出振動信號，那么，雖兩個振動點間無實際的振動器向被試者發(fā)射信號，但被試者由于對傳感的延時性反應(yīng)，亦將感受到一個連貫的、具有方向指向性的觸覺信息。

介于多個振動器的序列振動具有方向指向，故使其于導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有重大價值。目前導(dǎo)航的裝置或應(yīng)用多是基于視覺及聽覺通道進行傳輸，部分以單一振動源振動作為輔助提示。若能有效利用多個振動器的序列振動進行方向性提示，或可使導(dǎo)航系統(tǒng)更具直觀性。如早年印度科技公司嘗試將觸覺反饋系統(tǒng)及GPS功能置入鞋墊中，其所設(shè)計的命名為“Lechal”的智能鞋墊可借由不同振動方式提示使用者方向的轉(zhuǎn)向及正確性、是否抵達終點等簡單信息。這種創(chuàng)新性設(shè)計不僅可用于盲人導(dǎo)航，在普通用戶的使用中亦有助于緩解視覺壓力。

圖2 “Lechal”智能鞋墊（圖片取自Extremetech）

將導(dǎo)航行為從以視覺依賴為主的導(dǎo)航地圖中解放后，用戶可將更多關(guān)注度集中于現(xiàn)實環(huán)境，間接提升行進途中的安全系數(shù)。由于人體視覺處理機制存在“變化盲視”的反應(yīng)誤差，且鑒于觸覺反應(yīng)系統(tǒng)擁有人體感官中最快的反應(yīng)速度，故可借助觸覺提醒視覺。雖觸覺有無法傳遞復(fù)雜、多層次信息的缺點，但若用于提示重點注意方位則有著其他感官無法比擬的優(yōu)越性。若將觸覺感知區(qū)域用振動器的矩陣排布與之相對應(yīng)，用以提示提示駕駛員車身附近行人、車輛或障礙物等的出現(xiàn)方向，以觸覺輔助視覺從而避免事故發(fā)生。

誠然，觸覺交互不過是可穿戴設(shè)備眾多組成部分之一，而本文所述也僅是觸覺交互中的冰山一角。尤在邁入大數(shù)據(jù)時代的今天，以數(shù)據(jù)體系為支撐的部分穿戴設(shè)備在數(shù)據(jù)處理方面也取得了優(yōu)異成績，假以時日，或可借此推動設(shè)備間多種交互方式的聯(lián)結(jié)與互補，從而實現(xiàn)設(shè)備效用最大化。

[1]鐘高言.異軍突起的航空電子技術(shù)[J].國際航空,2003(6):60-63.

[2]鄧威,張德彬.智能可穿戴設(shè)備軍事應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].國防科技,2016,37(1):57-60.

[3]覓海.美軍研制“麥克法斯”手臂外骨骼[J].輕兵器,2015(22).

[4]Geldard F A,Sherrick C E.The Cutaneous "Rabbit":A Perceptual Illusion[J].Science,1972,178(4057):178-179.