5G時代的觸覺互聯網變革未來在線教育

王運武 陳祎雯 王藤藤

摘 要：2014年以來，觸覺互聯網逐漸成為互聯網領域的前沿研究方向。隨著5G技術成熟和商用的廣泛推廣，觸覺互聯網迎來新的發展契機。互聯網促進了視覺和聽覺通信的發展，觸覺互聯網實現了遠程傳遞感覺和觸覺。觸覺互聯網促進了人類感知覺、技能與互聯網深度融合，延伸了人類技能，實現了人機智慧互聯，加快了人類邁向“人機共融”時代的速度。觸覺互聯網可以增強智慧互聯，從而提升教育智慧化水平。觸覺互聯網能夠為動覺學習者提供在線學習新路徑，增強在線教育觸覺臨場感。未來觸覺互聯網將會在觸覺教育機器人、在線實時技能學習、遠程觸覺實驗與體驗、盲人觸覺補償和基于具身認知的觸覺反饋學習環境五大場景中發揮重要作用。

關鍵詞：觸覺學;技能互聯網;觸覺互聯網;感知互聯網;教育變革;前景展望

聽覺、視覺、嗅覺、味覺和觸覺是人類感知外界、與外界進行信息交流的五大感知通道。19世紀的收音機、電話讓人們實現了聽覺的遠程感知;20世紀的電視機、互聯網讓人們實現了視覺的遠程感知;21世紀的傳感器、物聯網、互聯網、移動通信網讓人們實現了嗅覺、味覺和觸覺的遠程感知。互聯網起源于20世紀50年代末期，自1993年美國提出“國家信息基礎設施”，全球互聯網進入快速發展期。隨著通信行業的迅猛發展，更低延遲、更高可靠性、更強連接的網絡被社會各行各業所期待，5G的出現恰好滿足了這樣的技術需求。歷時近30年，互聯網發展先后從固定互聯網到移動互聯網，再到物聯網，如今5G、人工智能、機器人、混合現實等技術的快速發展將激發新的創新浪潮，加快了互聯網繼續向觸覺互聯網、技能互聯網，甚至向感知互聯網轉變。這種感知覺和技能交互的轉變將對教與學進行重組，同時對未來教育產生革命性的變革。

一、觸覺學與觸覺互聯網

（一）觸覺學

觸覺學（Haptics）是新興的研究方向。從人機交互角度看，觸覺學是一種應用觸摸感覺（觸覺）和控制來與計算機應用程序交互的科學。[1]用戶可以利用操縱桿、數字手套等與計算機程序交互獲得信息反饋。近年來，觸覺研究范疇逐漸拓展，賦予了觸覺學新內涵。觸覺學是研究觸覺機器人、觸覺傳感器、觸覺感知、觸覺交互、觸覺反饋、觸覺互聯網、觸感技能互聯的科學。觸覺傳感技術主要有機械觸覺傳感技術、影像觸覺傳感技術、數字觸覺傳感技術、虛擬觸覺傳感技術，借助觸覺傳感技術能夠實現觸覺“無意識”跨時空存在。[2]觸覺反饋的方法有超聲波觸覺反饋（Ultrahaptics）、空氣渦環（Air vortex rings ）觸覺反饋等。觸覺是人類認知世界的基本方式，對于人類學習具有重要的作用。

（二）觸覺互聯網、感知互聯網和技能互聯網辨析

互聯網是視聽媒體之一，延伸了人們的視覺和聽覺，成為人們獲取視聽教育資源的重要信息通道。互聯網促進了視覺和聽覺通信的發展，觸覺互聯網建立在觸覺通信技術基礎之上，遠程傳遞感覺和觸覺。觸覺互聯網、感知互聯網與技能互聯網的關系，如圖1所示。觸覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器及其與傳感技術、反饋技術、互聯網、智能物聯網（AIoT）的融合，產生了觸覺互聯網、嗅覺互聯網、味覺互聯網，并為遠程傳遞人類的技能提供了可能，如實施遠程手術。感知互聯網可以理解為能夠提供視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺五種感知信息實時在線交流互換的智能網絡。借助感知互聯網，人類所有的感官都可以與機器互動，實現技術支持的感知覺反饋互動。觸覺互聯網、技能互聯網和感知互聯網是互聯網、移動互聯網和物聯網發展的高級階段，促進了人類的感知覺、技能與互聯網深度融合，延伸了人類技能，實現了人機智慧互聯，加快了人類邁向“人機共融”時代的步伐。未來或許會出現情緒互聯網，實現人類情緒的遠程感知。

移動互聯網實現了信息的移動交換，物聯網實現了智能設備互聯，觸覺互聯網將實現觸覺的在線交互和控制。觸覺互聯網支持的觸覺學習環境，能夠借助多模態人機界面，實現在線視覺、聽覺和觸覺交互，增強觸覺學習體驗，有助于學習者掌握必要的精細運動技能。觸覺互聯網具有實時感知和同步動作（或控制）兩個基本特征[3]，這使得人類技能可以遠程實時傳輸。

2015年，倫敦國王學院與愛立信公司宣布合作進行5G應用開發，創建5G觸覺互聯網實驗室，解決觸覺互聯網研發所面臨的技術挑戰和社會應用問題，期望突破傳統物理的限制，進而打造技能互聯網。[4]技能互聯網是愛立信公司首席信息官提出的五大關鍵技術趨勢之一。技能互聯網是指人類技能給予或獲取不再受限于任何物理邊界，可以通過網絡在全球范圍內快速高效地傳播，能夠獲得與本地相近的感知體驗。[5]聽覺、視覺、嗅覺、味覺和觸覺的高質量、高效率的低延遲傳輸，是實現人類技能遠程傳遞的重要前提。當前，聽覺、視覺的遠程高保真感知和傳遞已經有了較大進展，嗅覺、味覺和觸覺的精準遠程感知和反饋仍有待實現較大突破。技能互聯網是人類技能走向萬物互聯互通的必經之路，其存在有三個重要前提：視聽覺及觸覺技術的實現;用戶與遠程終端;及機器人進行無縫交互;高質量、高速率通信的技術保障。[6]視聽覺以及觸覺的精準獲取，可以提供給使用者真實的感官體驗，而用戶和遠端的交互也需要更可靠、低延遲的通信技術支持，5G將會成為推動技能互聯網發展的核心力量。

技能互聯網的核心技術需要圍繞三個主要領域進行創新：（1）網絡和通信協議;（2）觸覺編碼器（動覺和觸覺）;（3）邊緣人工智能（突破光極限）。[7]對于網絡和通信協議，最需要的就是可靠性和低延遲。而網絡切片可以通過利用軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）及網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）[8]來實現此訴求，從而給技能互聯網提供獨立的邏輯網絡。利用人工智能與網絡的結合，可以大大提升零延遲的網絡感知。支持觸覺和視覺反饋，并與混合現實結合，才能實現真實的臨場感[9]。編碼器是捕捉動覺與觸覺的關鍵，也是使用者獲得真實感官體驗的保障。技能互聯網離不開強大的高速網絡支持、邊緣化的人工智能以及觸覺互聯網的進化。觸覺互聯網的進化同時推動著技能互聯網的形成與發展。

（三）觸覺互聯網的起源與發展

早在21世紀初就有關于互聯網傳遞觸覺的研究。2003年，紐約州立大學布法羅學院虛擬現實實驗室主任凱薩瓦達斯通過研制的裝置成功傳遞了觸摸軟硬物體的感覺，還可以通過互聯網把一個人感覺某實體特殊輪廓的結果傳給另一個人。[10]南洋理工大學的研究人員發明了可以穿在雞身上的震顫外衣，通過操縱電腦可以傳遞給動物被主人撫摸的感覺，并計劃研發兒童睡衣讓孩子感受到異地父母擁抱的感覺。[11]盡管當時暢想這種技術將會在遠程教學、遠程會診、虛擬現實和娛樂產業等領域具有廣泛的應用，但是由于互聯網帶寬、物聯網、數據手套、觸感反饋、觸覺通信等技術的限制，互聯網傳遞觸覺的研究進展緩慢。

2010年以來，隨著移動互聯網、物聯網，尤其是5G、Wi-Fi 6、AIoT的迅猛發展，觸覺互聯網迎來了新的發展契機。2014年，德國德累斯頓工業大學一位教授在論文《觸覺互聯網：應用與挑戰》中最先提出了觸覺互聯網（Tactile Internet，TI）的理念，他認為觸覺互聯網可以定義為一種低延遲、高可靠性、高安全性的互聯基礎設施，借助于觸覺互聯網可提供遠程觸覺感受及對對象或物體進行遠程控制、診斷和服務，并實現毫秒級響應。[12] [13]觸覺互聯網將延伸和傳遞人們的觸覺感知，改變人類與外界的交流方式，成為經濟增長和科技創新的驅動力。由此，觸覺互聯網逐漸受到人們的關注，成為互聯網領域的前沿研究方向。

2014年8月，國際電信聯盟（ITU）發布《觸覺互聯網：ITU-T技術觀察報告》[14]，認為觸覺互聯網將會是未來重要創新領域，觸覺互聯網將會在虛擬現實、增強現實、保健、嚴肅游戲、教育與文化、智能電網等領域具有廣泛的應用前景。觸覺互聯網對延遲和可靠性、安全、系統架構、傳感器和執行器、接入網、移動邊緣云等基礎設施建設具有較高要求。人類對突發、不可預見事件做出反應時，感覺到刺激和肌肉反應之間的時間差在1秒范圍內。人類聽覺反應時間約為100毫秒，人類視覺反應時間在10毫秒內。人類手動控制視覺場景并發出預期快速響應的命令，需要1毫秒的反應時間。5G網絡延遲降低至1毫秒，其超低延遲、高速率、大容量的特性滿足了觸覺互聯網的技術需求，將會顯著增強人類感知覺和技能的在線交互體驗。

2015年，倫敦國王學院米沙·多勒爾（Mischa Dohler）在巴塞羅那召開的世界移動通信大會上進行演講后，觸覺互聯網就迅速成為了熱詞，研究者開始逐漸關注觸覺互聯網的相關關鍵技術。2016年，有研究團隊[15]分析了觸覺互聯網的關鍵技術要求和架構方法;通過調查報告介紹了觸覺互聯網的最新進展和使用技術，而且特別關注了光纖無線對低延遲和可靠性的貢獻[16]。2017年，有研究團隊介紹了一種基于多層云的觸覺互聯網系統[17];探討了幾種可應用于觸覺互聯網的低延遲技術[18]。

2018年，美國電器與電子工程師協會（IEEE）成立了觸覺互聯網工作組，定義了觸覺互聯網框架，開展觸覺互聯網標準開發工作。同年，有研究團隊探討了通過5G觸覺互聯網來實現觸覺通信的方法與經驗[19]。

2019年，有研究團隊設計了基于5G技術進行的觸覺互聯網的超可靠和低延遲系統。[20]拉杰什·古塔普（Rajesh Gupta）等[21]考慮利用5G網絡來解決通信延遲問題，并探討了在5G背景下互聯網和物聯網的區別。

2020年隨著5G技術的逐漸成熟，關于觸覺互聯網的相關研究開始快速增多。有研究團隊分析了未來網絡應用的特點和需求，提出了一種適應觸覺互聯網的新型網絡體系結構FlexNGIA[22];研究了5G技術的高可靠和低延遲通信（uRLLC）服務在觸覺互聯網中遇到的問題和應用趨勢[23];結合5G技術，根據具體的應用和網絡架構來減少網絡延遲[24];開發了一個通用的觸覺互聯網可擴展測試平臺即TIXT[25]。也有研究團隊認為新技術的迅猛發展將促進傳統視聽媒體擴展到包括觸覺在內的多模式應用[26]。夏爾馬（Sharma）等[27]提出了一個5G無線通信領域的通用框架，包括體系結構、主要技術要求、關鍵應用領域和潛在技術，并構架了未來的研究方向。魏萌等[28]提出了一種基于軟件定義網絡（ SDN） 的多層觸覺互聯網端到端體系結構來解決延遲問題。阿拉姆（Alam）[29]提出了下一代智能城市觸覺互聯網的構想。

從2014年觸覺互聯網概念提出到現在已經歷時7年，意識領先的研究機構和高校已經開始率先布局觸覺互聯網研究工作，但是總體來說這方面研究還相對薄弱，其商用價值還有待進一步挖掘釋放。據CNKI統計分析，截至2021年3月24日，在CNKI以篇名檢索觸覺互聯網，僅有92篇文獻，其中86篇英文文獻，6篇中文文獻。此外，涌現了觸覺互聯網方面的著作，諸如《基于5G Wi-Fi架構的觸覺互聯網》《人在回路中的觸覺互聯網》《打造5G觸覺互聯網》等。

隨著5G技術成熟和商用的廣泛推廣，觸覺互聯網迎來新的發展契機。尤其是5G毫米波頻段能夠提供更大的信道容量，支持更高的通信速率，提供厘米級的高精度定位服務。5G毫米波能夠通過營造5G混合現實智慧應用場景，增強8K超高清視頻直播效果，為人們帶來更好的應用體驗。5G毫米波支持的觸覺互聯網或許可以帶來“共情”，如身體域網絡、多感官混合現實、情感和觸覺交流。[30]這將更有利于推進觸覺傳遞和技能交互，但是也要克服路損（path-loss）和雨衰（rain-attenuation）的缺陷。隨著5G、AIoT、VR、AR、MR等技術的迅速發展，觸覺互聯網可以實現人類觸覺的遠程精準傳遞，未來感知互聯網也將成為可能，信息、技能的傳遞將超越視聽覺、觸覺，甚至包括人類情感在內的更多感知與感覺。

二、觸覺互聯網提升智慧互聯水平

（一）觸覺互聯網應用框架

觸覺互聯網應用框架由觸覺化身用戶、觸覺互聯網、觸覺機器人三部分組成，如圖2所示。觸覺互聯網可以實現在線人機觸感交互與控制，在線傳遞人類技能。觸覺通信對低延遲、高速率、大容量具有較高要求，以5G為核心的多網融合滿足了觸覺實時通信的要求。觸覺互聯網通過觸覺通信實時在線傳遞與控制物理感覺，觸覺精準感知與精準反饋、觸覺編碼與解碼決定著觸感技能互聯體驗。觸覺通信包括觸覺控制數據（動覺和觸覺反饋）和非觸覺控制數據（如語音和視頻）。觸覺化身用戶通常需要穿戴觸覺感知設備傳遞觸覺或接收在線觸覺反饋。觸覺傳感器采集的觸覺信息經過觸覺編碼后，在觸覺互聯網中傳遞給觸覺化身用戶，觸覺解碼后轉化成觸覺終端指令讓用戶在真實和虛擬環境中觸摸、感受和操作對象。觸覺互聯網提供了觸覺信息的雙向高速通信，實現人類觸覺和技能的精準傳遞。觸覺互聯網需要超可靠、超靈敏和安全的網絡連接，以實現典型可靠性和延遲的實時觸覺和非觸覺交互。

觸覺互聯網的關鍵技術包括觸覺機器人、觸覺傳感器（觸覺終端）、觸覺感知、觸覺反饋、觸覺交互（觸摸屏）、觸覺通信（觸覺傳感、觸覺編碼與解碼）。觸覺機器人是未來觸覺互聯網的核心體現，通過觸覺傳感器感知觸覺信息能力是衡量觸覺機器人的重要性能指標。觸覺機器人達到人類感知和處理觸覺信息的能力，將是觸覺機器人發展的終極目標。高性能的觸覺傳感器將賦予觸覺機器人更精準的觸覺能力，人機觸覺互動和智慧互聯將成為現實。觸覺傳感器是感知觸感信息的重要觸覺設備。觸覺反饋裝置又稱為觸覺執行器，可以提供觸覺反饋。在觸覺互聯網中，利用移動邊緣計算可以使集中式的云功能分布到無線接入網的邊緣，從而減少延遲，克服傳統云計算導致觸覺互聯網響應時間延遲的問題。

（二）智慧互聯七層次模型

近年來，我國加快了智慧教育、智慧教育示范區、智慧校園建設，全國智慧教育蓬勃發展。尤其是“十四五”開局之年，智慧教育被寫入了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》。這意味著，智慧教育受到國家高度重視，對這個問題的認識已上升到國家戰略層面。然而，智慧教育如何體現“智慧”一直是教育界的“痛點”，困擾著智慧教育的研究者和實踐者。觸覺互聯網、感知互聯網和技能互聯網將會提升智慧互聯水平，成為破解“智慧”難題的新途徑。

智慧互聯又稱智能互聯，是指以技術和網絡互聯為核心，實現媒體、平臺、數據、資源、人和物的互聯互通。智慧互聯也可看作是智能互聯的目的和結果，智能互聯是實現智慧互聯的途徑。智慧互聯七層次模型，如圖3所示。智慧教育領域中的智慧互聯從低到高分為七個層次：（1）技術互聯，即物聯網大數據、人工智能、互聯網等多種技術的融合。（2）網絡互聯（多網融合），即5G、Wi-Fi 6/全光網、AIoT、廣播電視網、智能電網等多網絡融合。（3）媒體互聯，即智能互聯終端、智能手機、智慧黑板、平板電腦、臺式機等多種媒體互聯，實現全媒體學習。（4）平臺互聯，即國家/省/市系統平臺、校內系統平臺、校外培訓系統平臺等互聯互通。（5）數據互聯，即借助系統平臺互聯，實現教學類數據、管理類數據、科研類數據、服務類數據等數據共享。（6）資源互聯，即實現紙質書、智慧課程、云教材、超高清視頻交互資源、裸眼3D資源等各種資源互聯互通。（7）人物互聯，即實現人與人、物與物、人與物互聯（腦機接口）。智慧互聯打破了技術、網絡、媒體、平臺、數據、資源、人和物的邊界，有利于打破“數據孤島”“信息孤島”“業務孤島”“應用孤島”“服務孤島”，促進數據、信息、業務、應用和服務的融合創新，提升教育智慧化水平，讓用戶獲得智慧教育服務的高體驗感和高滿意度。

智慧教育的“智慧”主要體現為顯性智慧（基礎設施智能化、系統平臺智能互聯等）、隱性智慧（理念、方法、應用的智慧化）和創新智慧（教育系統整體性變革、創新引領教育發展、教育治理現代化、創新人才培養等）三個層次。智慧互聯既有利于提升教育的顯性智慧，又有利于提升教育的隱性智慧和創新智慧。觸覺互聯網將加速互聯網向類腦架構進化，促進互聯網具備視覺、聽覺、觸覺、運動神經系統，甚至擁有記憶神經系統、中樞神經系統和自主神經系統，最終產生互聯網云腦，甚至具有一定的人類智慧。[31]物聯網可視為互聯網云腦的感覺神經系統，云計算可視為互聯網云腦的中樞神經系統，大數據可視為互聯網云腦的信息基礎，5G、Wi-Fi 6可視為互聯網云腦神經系統的延伸，智能終端、邊緣計算可視為互聯網云腦的神經末梢。

三、觸覺互聯網在線教育應用前景展望

（一）觸覺互聯網為動覺學習者提供在線學習新路徑

目前，觸覺互聯網研究仍屬于前瞻性研究，其商用價值還有待進一步彰顯。從本質上看，觸覺互聯網與互聯網相比，拓展了原有的視聽信息通道，增加了觸覺信息通道。觸覺互聯網的誕生使得技能在線傳遞成為可能，觸覺的遠程控制與交互延伸了人類技能學習方式。從學習方式看，觸覺互聯網將變革人類學習方式，催生觸覺學習方式。學習者借助可穿戴觸覺裝置，可以獲得動覺學習體驗，開拓基于觸覺互聯網的動作技能在線學習新路徑。

（二）觸覺互聯網增強在線教育觸覺臨場感

臨場感缺失是困擾在線教育發展的難題，這也是在線教育難以達到線下教育同質同效的根本原因。[32]未來在線教育形態、OMO（Online-Merge-Offline，線上和線下的深度融合）教育形態、傳統教育形態將呈現協同發展態勢，尤其是OMO教育形態將會受到師生的青睞。雖然5G時代的直播教育，建立了超高速信息傳播通道，創新了在線教育形態，在情感交流、臨場感、交互性、教學資源時效性、個性化學習體驗等方面具有顯著優勢，但是仍然難以彌補在線教育的觸感缺失。[33]觸覺互聯網打破了視聽二元在線教育資源傳輸的狀態，加入了觸覺在線教育資源形態。這將改變在線教育資源的呈現方式，重塑視、聽、觸覺多模態智慧學習環境，增強在線教育觸覺臨場感，從而在一定程度上破解在線教育臨場感缺失的難題。

（三）觸覺互聯網催生在線教育新場景

目前，觸覺互聯網的研究主要集中于遙感控制、自動駕駛、遠程醫療、游戲等領域，在教育中尚處于萌芽狀態。觸覺互聯網具有超低延遲、高可靠性、高安全性、觸覺實時交互等特點。這將使得構建實時觸覺交互系統成為可能，為教育領域提供增強型在線實時觸覺交互體驗，讓師生在學習過程中獲得觸覺感官支持。觸覺互聯網的教育應用潛能值得挖掘，在未來在線教育中具有廣闊的應用前景。

根據觸覺互聯網的功能和特點，可以預測未來觸覺互聯網將會在五大場景中發揮重要作用：（1）觸覺教育機器人。教育機器人具有視覺、聽覺和觸覺能力，可以開展觸覺技能相關的書法教學、武術陪練、鋼琴演奏、實驗演示等。（2）在線實時技能學習。例如，觸覺感應手套記錄教師手指操作行為，并進行觸覺編碼和解碼，通過觸覺通信傳遞到遠程學習者，可以用于精準學習演奏樂器的姿勢和指法、手術操作技能的精準培訓、精準操作的仿真訓練等。（3）遠程觸覺實驗與體驗。觸覺互聯網延伸了人類的觸覺，增強了人機智慧互聯，這為開展遠程觸覺實驗、交流觸覺體驗創設了環境。觸覺互聯網還可以通過實時觸覺交互與控制，遠程感知環境，增強人類的遠程感知能力。例如，在地球上遠程感知月球、火星的環境，識別月壤的硬度、顆粒度大小，體驗月球引力等。（4）盲人觸覺補償。觸覺是盲人與外界進行信息交流的重要感知通道。觸覺傳感器可以補償盲人觸覺感知能力，觸覺互聯網可以實現盲人人機觸覺互聯。例如，延伸盲人智能手機的觸感技能，增強盲文通信，讓盲人獲得更好的觸感體驗。（5）基于具身認知的觸覺反饋學習環境。沉浸式強觸覺反饋學習環境，有利于學習者開展基于具身認知的各種活動，從而增強觸覺學習方式的學習效果。從腦科學看，人類學習活動與環境、資源、情緒等具有相互增強的關系，學習的過程就是人腦與外部環境進行信息交換的過程，沉浸式強觸覺交互有助于增強神經元聯結，進而提升人類的智慧。

四、觸覺互聯網變革未來在線教育的建議

目前，觸覺互聯網正處于成長階段，其商用推廣價值有待進一步挖掘。為更好地促進觸覺互聯網在教育中的應用，未來建議：第一，要加快觸覺互聯網、觸覺教育機器人、觸覺傳感器、觸覺反饋技術等關鍵技術的研發速度，加強人力、物力、財力方面的投入。第二，加快推進觸覺終端產品研發，推進觸覺互聯網應用市場化。第三，在教育領域中試點超前部署觸覺互聯網，推進觸覺互聯網變革未來在線教育實踐探索。觸覺互聯網在教育領域中的應用尚處于萌芽階段，但是已經顯現出巨大的應用潛能。期待更多的專家學者關注觸覺互聯網的教育應用，推進觸覺學習方式，開啟“人機共融”新時代。

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（責任編輯 孫志莉）