可穿戴設備中振動刺激式觸覺人機交互研究

楊 流，唐婉茵

（中國地質大學（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生過度依賴，從而導致視覺信息過載。隨著可穿戴設備及虛擬實境技術的不斷發展，觸覺通道對人體產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，觸覺式交互系統則更具雙向性。可穿戴設備研究中，人體觸覺人機交互對于研究者的心理物理學及工程學研究能力具有一定要求，不僅需具有心理物理學理論基礎，且具備研究過程中所需儀器的設計與實現能力。由于在研究中需要對于人體感覺進行定量測量，故對儀器的精準度要求甚高，需擁有精確的感知能力。

現階段發展中，可穿戴設備產品主要集中于三類產品：以手腕為支撐的watch類（含手表和腕帶等產品），以腳為支撐的shoes類（含鞋、襪或者將來的其他腿上佩戴產品），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類產品占據目前市面上可穿戴設備的百分之七十左右。換言之，穿戴設備在生活中的拓展與實際應用仍留有極大探索空間。

所幸，人體觸覺感受的相關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注的領域，仍有許多研究人員為使可穿戴設備應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，并將其以矩陣聯結模式有序排布于背心上，使每個聯結點皆對應相應控制閥門。閥門打開時，釋放氣體沖出而使人體皮膚對該裝置產生感應，即可以氣流沖擊傳遞信息。而不同的閥門對應于不同的信號，飛行員則在專業訓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、速度在內的全部飛行狀態。飛行員將背心貼身穿戴，以便敏捷辨別各類信息。經測試，在經過對于該背心的專業感應訓練后，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備轉向軍事領域研究，除指揮作戰與日常監管外，多用于武器裝備[2]。如團隊協作作戰時，為避免暴露己方人員或目標，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換為振動器的矩陣排布，應用于作戰裝備之中，輔以一定訓練，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，以期分擔部分視覺傳輸通道之負載。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”手臂外骨骼系統可有效減弱手臂在射擊訓練時所產生的振感，并以其對于射擊動作的智能記憶縮短訓練周期，不僅可減少彈藥與經費消耗，其更大的意義在于在戰斗中輔助使用者快速瞄準并射擊目標[3]。

圖1 “MAXFAS”手臂外骨骼系統（圖片取自ianpo）

就市場占有率而言，雖目前可穿戴設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生的關于方向性的傳遞功能也是現階段研究人員所關注的領域。

在此類型的實驗中，由Frank Geldard和普林斯頓大學的Carl Sherrick發現的被稱為“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]。該實驗發現，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，同時調試使得振動器快速有序地發出振動信號，那么，雖兩個振動點間無實際的振動器向被試者發射信號，但被試者由于對傳感的延時性反應，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，故使其于導航領域的應用研究具有重大價值。目前導航的裝置或應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，或可使導航系統更具直觀性。如早年印度科技公司嘗試將觸覺反饋系統及GPS功能置入鞋墊中，其所設計的命名為“Lechal”的智能鞋墊可借由不同振動方式提示使用者方向的轉向及正確性、是否抵達終點等簡單信息。這種創新性設計不僅可用于盲人導航，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）

將導航行為從以視覺依賴為主的導航地圖中解放后，用戶可將更多關注度集中于現實環境，間接提升行進途中的安全系數。由于人體視覺處理機制存在“變化盲視”的反應誤差，且鑒于觸覺反應系統擁有人體感官中最快的反應速度，故可借助觸覺提醒視覺。雖觸覺有無法傳遞復雜、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越性。若將觸覺感知區域用振動器的矩陣排布與之相對應，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方向，以觸覺輔助視覺從而避免事故發生。

誠然，觸覺交互不過是可穿戴設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。尤在邁入大數據時代的今天，以數據體系為支撐的部分穿戴設備在數據處理方面也取得了優異成績，假以時日，或可借此推動設備間多種交互方式的聯結與互補，從而實現設備效用最大化。

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

[2]鄧威,張德彬.智能可穿戴設備軍事應用與發展趨勢[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.