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觸覺回饋技術的演進與發展應用

全球重要廠商觸覺回饋技術發展比較表資料(Source:各廠商)

觸控已成為各行動裝置的人機介面技術主流,除了觸控面板全面導入投射式電容、多點觸控技術之外,廠商也正以各種馬達驅動、電容、電場、超聲波的觸控回饋技術,使得用戶接觸螢幕上不同物件時,不再只是冰冷的面板觸感,而是更精準的從手指之間感受不同物體表面材質的光滑粗糙的程度,進而連接用戶的觸覺應用…

多點觸控加一軸  觸覺回饋形塑真實感觸

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運用馬達?制動器與超音波振動的觸覺回饋技術(Source:Immersion/Fujitsu)

觸控技術從早期軍事與科學領域應用,到1980年轉向民間的商業應用,如ATM、POS到Kiosk等等。隨後導向PC產業以及PDA、手機、掌上遊戲機等消費性電子產品,以透過手指、手寫筆甚至觸控等輸入方式,來提升人機介面的操控體驗。

尤其以2007年蘋果iPhone智慧手機,以電容式多點觸控技術的觸控面板技術引領全球,隨後Google與微軟也陸續推出具備全螢幕觸控介面的作業平台,並與各手機廠商合作推出Android智慧手機。

多點觸控的應用從席捲手機、平板,再度朝向筆電、桌機或AIO一體成型電腦的領域,跟鍵盤、滑鼠並列為輸入UI三劍客。過去曾經有了提升遊戲與軟體互動體驗,所設計力回饋搖桿、滑鼠、控制器;在多點觸控時代,面板、觸控晶片與元件等相關業者,也積極針對既有的顯示面板上,除了過去的二維座標手指點選之外,還追加了一個互動軸度的觸覺回饋(Tactile/Haptic Feedback)技術,能依螢幕所顯示各種動植物、物體表面材質的不同,細膩反應於觸控手指讓使用者明顯感覺。

同時觸覺回饋的人機互動技術,在醫療需要安靜、或周遭吵雜環境下,藉由裝置回饋反應到操作用戶,可以獲得更直覺、更精準且不受干擾的互動,對於視障或盲胞來說,更是可以協助他們克服視覺上的阻礙,進而擁抱資訊網路科技。

觸覺回饋技術的種類

廠商運用不同技術原理創造觸覺體驗,目前導入行動裝置觸控面板的觸覺回饋技術,分為:1. 制動器(Actuator)—如透過線圈馬達、壓電開關或MEMS微機電開關所驅動、振動。2. 電場式(Electric Field)—藉由手指感受到電場電荷的排斥力。3. 電容式—藉由強鐵電容薄膜充電的磁吸斥力。4. 超音波(Ultrasonic/Acoustic)。這4種觸覺回饋技術因原理的不同,創造出來讓使用者的觸覺感受也會有所差異的。

制動器驅動中,又以馬達驅動?振動最為常見。遠從20多年前B.B.Call無線傳呼機時代,就在使用線圈馬達振動的回饋互動技術。成立於1993年的美商易美振(Immersion),是為全球第一個發展觸覺介面技術與系統為主的公司,擁有1,200項觸覺回饋相關專利。其Touch Sense技術主要應用在Android-based 系統上,以搭配驗證過的第三方馬達或制動器元件,透過軟體觸覺回饋技術,驅動馬達?產生出不同程度的振動與回饋力道。

蘋果則是同樣也以挑選過的第三方馬達?制動器元件振動技術,開發自己的觸覺回饋技術-3D Force Touch並申請自己的專利。並於2015年3月搶先在12吋New MacBook與Apple Watch支援。

成立於2006年、率先開發電場式觸覺回饋技術的芬蘭商Senseg,開發出Feel screen觸覺回饋技術,並於2014年獲得荷商恩智浦(NXP)的投資。其原理為在防護玻璃與ITO像素層之間加一道負離子電場層,一般帶負離子的手指接觸該面板表面時,會很明顯的來感受到電荷排斥的回饋力道。

此技術優點在於省電、可針對畫面某個部份,藉由不同電荷密度,來達到不同材質粗糙度的效果;而此項技術也可應用於可撓式顯示面板(Flexible Panel),可應用在各種擁有彎曲、弧度等多變造型的觸控面板上。隨後迪士尼研究(Disney Research)、台灣工研院(ITRI)也陸續開發出類似的電場式觸覺回饋技術。

被微軟購併的諾基亞(NOKIA)曾於2009年開發自己的電容式的觸覺回饋技術,主要用以導入智慧手機或平板電腦,並於該年申請專利,2011年在幾款行動裝置上展示其觸覺回饋應用。

Nokia開發的是可搭配可撓式面板的電容式的觸覺回饋技術,藉由在防護玻璃與ITO像素層之間,加一道透明、可撓曲的鐵電聚合物薄膜(ferroelectric polymer film),等於做了一個薄型電磁鐵在觸控面板上,藉由通電時對電容薄膜層充電,電荷儲存衍生的電磁力來創造回饋力道;同時將智慧手機或平板電腦背部接地,降低產生觸覺回饋所需的驅動電壓,達到省電效益。

日商富士通(Fujitsu)則是在嵌入在觸控面板防護玻璃層(Cover Glass)底下的觸控聲波發射器,依據螢幕畫面的物體表面滑溜、粗糙、凹凸等觸感。產生不同頻率的超聲波,並藉由手指接觸到防護玻璃層所感受到的些微聲波振動,感受到螢幕表面的滑溜、粗糙或凹凸等觸感;同時結合了聲音回饋技術,像是觸摸到古箏的琴弦時,除了能從手指感覺出不同琴弦的粗細觸感之外,也會因碰觸到不同琴弦而彈奏出不同階的音色。

觸覺回饋技術的實際應用

觸覺回饋的人機互動技術,不僅可以強化、豐富使用者操作軟體、玩遊戲時的互動體驗;在醫療需要安靜、或周遭吵雜環境下,藉由裝置回饋反應到操作用戶,可以獲得更直覺、更精準且不受干擾的互動。同時對於視障者或盲胞來說,觸覺回饋更是唯一可以協助他們克服視覺上的阻礙,進而擁抱資訊網路科技的技術。

對馬達?制動器振動技術領導商Immersion來說,其馬達振動的觸覺回饋技術,已廣泛應用於Android系統的智慧手機、平板電腦與車載電腦。像三星(Samsung) Galaxy S5、Galaxy Note 4、LG的G3、華為(Huawei)Honor 6、小米(Xiaomi) Mi4、夏普(Sharp) Aquos Zeta、富士通(Fujitsu) Raku Raku、中興(ZTE) Nubia Z5等手機,以及凌志(Lexus) Remote Touch車用電腦等使用。也獲得日商京瓷(Kyocera)未來幾年的觸覺回饋技術授權。

Immersion於2015年4月推出 TouchSense Engage解決方案,該解決方案基於目前廣泛普及的行動裝置遊戲 SDK 和124種觸覺效果庫,僅增加系統1?3%功耗,即可為各種遊戲開發出像動作發出、能力提升、撞擊效果、彈弓運用、慶祝場景、氛圍渲染 以及進程提示,已成功應用於15,000多種遊戲。

TouchSense Engage SDK除了訂製開發之外,免費提供給遊戲╱Apps開發商下載使用,僅需註明遊戲或軟體使用Immersion的觸覺回饋效果,至今已經有超過SDK下載。

而電場觸覺感應部份,2010年Toshiba推出10.1 吋Thrive平板電腦,以及2012年由華碩(ASUS)代工的Google Nexus7平板電腦,在2014年某些特定開發版,也採用Senseg 觸覺回饋感測器與解決方案。Disney Research的電場式觸覺回饋技術於2012 年申請專利,並於2013 年公開展示。其最大特色在於:1. 運用摩擦力來創造觸覺回饋感;2. 具備兩指以上的多指觸控的觸覺感受,適合應用在各種需要兩個手指以上的觸控操作,像是繪圖或動作較多的遊戲等。

Fujitsu於2014年2月於西班牙巴塞隆納MWC中,展示出具有其開發的超音波觸覺回饋技術的平板電腦。工研院也在同一時期發表其電場觸覺回饋技術,並於2015年技轉給未上市的台灣微動材料科技。

建議業者要研發或導入觸覺回饋技術於旗下產品時,不單只考量技術開發,重要的是將互動內容,整合到觸覺回饋軟硬體介面設計;所以必須要從手機?平板作業平台、軟體或遊戲內容做整體考量,著重自己行動裝置是偏向外型(可撓式軟性面板)、主打省電的觸覺回饋、應用在多點觸控繪圖的觸覺,結合聲音回饋的觸覺回饋技術以及其他互動回饋技術,將觸覺回饋的應用給遊戲化,可以讓操作者整個感官與互動體驗更為豐富。

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