一家來自英國的公司Ultrahaptics結合了市面上的超音波硬體以及獨家的軟體技術,開發出一種為手勢識別與控制系統添加非接觸式觸覺(touch-less haptics)功能的方法,令人耳目一新。

我們在操作電子系統時,很大程度上依賴視覺、聽覺以及直接接觸,而現在已經到了我們危險地讓那些感覺超載的程度,所以會開始從中抽離。舉例來說,每當我倒車進入我家有點坡度的車道,就會有一堆警報聲同時響起,包括倒車警報以及有時太過敏感的倒車雷達;我的手機則是會有來電/簡訊鈴聲、簡訊或社交網路的訊息通知…那些通通讓人不想理睬。

這真的不太好,因為我們會需要一個得去注意的警報─例如手剎車;是的,承認這件事就跟它本身一樣讓人頭痛,我有時候會忘記放手剎車,然後就讓車子緩緩從我家的車道開出去,而那種摩擦力道非常不明顯;無論是手剎車警報或是儀表板上小小的紅燈我都沒注意,大部分是因為我一直忙著注意車子後面有沒有行人。

我常疑惑為何他們不把手剎車警報弄得更響亮,而不是只有小小的「叮、叮」聲,就像那些我們很快就不想理睬的警報音;難道它不值得有特殊的聲音嗎?或者是更與眾不同的?

儘管在某種程度上有點個性化,現在有一種很炫的觸覺回饋新技術,已經準備好支援下一代的全像成像(holographic imaging)、手勢追蹤應用,或是做為醫療、汽車設備的介面;這種技術是由Ultrahaptics的技術長暨創辦人Tom Carter所開發,利用聚焦超音波刺激皮膚表面,例如模擬撥號時「點擊」的感覺;該技術通常是與手勢識別結合,追蹤手的位置以確切辨別該在何處投射超音波。

這種觸覺系統的原理是先利用手勢識別技術判別手的位置,接著以專屬軟體驅動經典的現成40kHz超音波發射器陣列,將聲像(sound image)聚焦在手或是手指的確切位置,以提供所需的知覺;目前的開發工具能在1公尺外聚焦於指尖,而追蹤方案的精確度仍有限制。Carter表示:「我們有能夠在2公尺外鎖定指尖的模擬成果。」

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圖1 Ultrahaptics的系統提供了一種在虛無半空中的奇特觸覺體驗,為工業、汽車、醫療或虛擬實境系統應用提供了機會。



如果你到現在還沒搞懂,總之這種技術的關鍵優勢,在於你能在實際上沒有摸到任何東西的情況下,仍然取得觸覺回饋;「其他每種觸覺方案都需要被觸摸到,」Carter指出:「我們的技術主要優點在於你不必穿戴特殊裝備或是手套,這具備很多手勢上的優勢。」

Carter開發此技術的目的當然不只是讓我驚豔,而他認為汽車與醫療會是最適合的應用:「汽車有大量的功能,我們往往會需要同時做四、五件事情,而大腦處理觸覺的速度會快得多、所消耗的(大腦)能量也較低。」

如果你能轉動汽車儀表板上某個旋鈕,並知道你轉了多少、轉得多快,這真的很棒;而如果你能在不需要更換特殊服裝或是手套的情況下操作醫療儀器或電腦,甚至有可能拯救一條生命;這些都是非接觸式觸覺技術的關鍵應用,特別是在醫療院所那樣容易感染的環境中,「觸摸」幾乎會變成一種恐懼。

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圖2 簡單的瓦斯爐開關旋鈕,能以投射出來的影像代替、而且是「摸」得到的。



Carter講了一個故事,說有位醫師坦承他經常設法避免在他工作的醫院裡按電梯,總是大搖大擺走進電梯然後大聲喊:「4樓,謝謝!」當然,他這是叫別人去幫他按整間醫院最容易受到細菌感染的按鈕…該說這位醫生很明智嗎?

真正的技術突破在於軟體

其實非接觸式觸覺技術已經有人嘗試過,是採用噴射或是空氣渦流,但那些方法都效率不佳、吵雜、不準確而且會迅速消散;Ultrahaptics的技術則是採用村田製作所(Murata)的超音波換能器(transducer)─可能是通常被用在停車感測器的種類─並以一顆Xmos處理器控制。就像電磁波一樣,超音波也有最小吸收量的頻率,這也是使用40kHz的原因。

組成陣列的超音波換能器數量從16~256顆不等,是依據應用所需範圍來決定;在目前的評估板上,手部追蹤是以Leap Motion的攝影機暨手勢識別系統內的應用程式介面(API)來完成。同樣的,該硬體是現成產品,而當Carter第一次在英國布里斯托大學(Bristol University)進行概念驗證時,花了20分鐘才用伺服器上的高解析度繪圖卡渲染出一個圖框(frame),而圖框會對應每一次位置的改變。

不過在2013年成立Ultrahaptics之後,Carter與他的團隊用不斷改善的軟體達到了60圖框/秒(fps)的速度;在半年前,該公司甚至以單顆CPU讓速度提升到了100~200fps。現在Ultrahaptics已經推出第二版軟體,能使用32位元ARM核心處理器(在這個案例中是採用Xmos處理器),讓更新率達到10,000fps;這可望實現以更低功耗支援更複雜的感覺與互動介面。

對於這樣的技術,我的第一反應是想知道超音波能提供多大的「力量(force)」,但Carter表示,該技術實際上不會提供那種抵抗力,而是會在皮膚表面產生震動:「我們有一個感知專家團隊,負責根據不同所需的感覺來設計最佳化觸覺體驗;」而且這個團隊對於技術突破成果並不藏私,他們正與英國的格拉斯哥大學(University of Glasgow)、布里斯托大學、薩賽克斯大學(University of Sussex)以及一所位於日本東京的大學進行公開合作。

雖然目前版本的超音波換能器實際體積夠小,能讓汽車製造商將不同配置的陣列整合到儀表板原型中,但如果能更小當然是更好;Carter表示:「我們正在尋求一整個全新的換能器陣列解決方案,此刻正與來自世界各地的不同夥伴在保密協定下合作,很抱歉不方便提供詳情。」

在此同時,我很期待有一種全新形式的感覺輸入,能立即提醒我放掉手剎車(我今天早上又忘了,唉…);其實我覺得在方向盤上的震動脈衝會有用,如果有哪位讀者正好是負責汽車設計的工程師,請務必考慮一下!