人類(lèi)與外界的交互，包括認知和改造兩個(gè)方面，前者是后者的前提。對于前者，認知本質(zhì)上是對時(shí)空的直觀(guān)。具體說(shuō)，任何一個(gè)外界的事物，都是時(shí)間和空間的具體形式體現----可以用一組時(shí)間空間參數描述。時(shí)空的無(wú)窮組合，也便造就了外界的多樣性。對于這些組合的認知，人類(lèi)有多個(gè)通道進(jìn)行直觀(guān)----視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)。這種簡(jiǎn)潔G效的直觀(guān)方式也導致了一個(gè)問(wèn)題：一個(gè)人和一個(gè)事物之間在時(shí)空上存在一定距離，就無(wú)法做到多個(gè)通道同時(shí)直觀(guān)，以此限制了人對外界的認知水平。目前，從成熟度看，對五種通道的研究大致有三個(gè)梯隊：視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)為梯隊，我們的模仿已十分成熟----各類(lèi)商業(yè)化的視聽(tīng)產(chǎn)品；觸覺(jué)是第二梯隊，處于成長(cháng)期；嗅覺(jué)、味覺(jué)，處于第三梯隊，該方面的研究相對較少。事實(shí)上有研究表明，觸覺(jué)是生物體原始的感覺(jué)通道，甚至早于視覺(jué)功能進(jìn)化，直至今日，人類(lèi)嬰兒探索世界的主要方式仍是觸覺(jué)行為�？梢�(jiàn)，觸覺(jué)研究落后的原因不是說(shuō)不重要，而是不簡(jiǎn)單。觸覺(jué)研究的困難存在于觸覺(jué)實(shí)現的各個(gè)環(huán)節中：觸覺(jué)機理復雜、觸覺(jué)數據難以獲取、觸覺(jué)系統真再現實(shí)度低、觸覺(jué)應用數量少。本文從觸覺(jué)感知機理、觸覺(jué)建模及渲染、觸覺(jué)再現系統和展望四個(gè)方面展開(kāi)論述。

1.觸覺(jué)感知機理

觸覺(jué)作為一個(gè)通道，其輸入是觸摸物體時(shí)觸覺(jué)感受器的空間變化、震動(dòng)，其輸出是各類(lèi)感覺(jué)，如硬度、形狀、粗糙度、紋理、彈性、濕度、黏性；其實(shí)現的方式是通過(guò)各種操作，如觸摸、按壓、拿捏、滑動(dòng)[1]等。目前，關(guān)于人體觸覺(jué)感知較為成熟的是四通道理論，即人體對外界的觸覺(jué)感知由皮膚內的4種機械式刺激感受器共同完成, 包括 Ruffini小體、Meissner小體、Merkel盤(pán)和Pacinian小體。4種觸摸感受器所在皮膚組織的位置和對觸覺(jué)刺激的響應均不相同, 其中, Ruffini小體感知彈性,Meissner小體感知凸起邊緣, 物體外形、紋理造成的壓力及低頻的振動(dòng)刺激一般由位于皮膚上皮層和真皮層之間的Merkel小體感知, 而G頻振動(dòng)刺激則由皮膚深處的Pacinian小體感知。

2.觸覺(jué)建模及渲染

此部分實(shí)際上是為了解決這兩個(gè)問(wèn)題：1，如何獲得數據？2，如何對真實(shí)表面的感覺(jué)進(jìn)行描述和數學(xué)建模？

針對問(wèn)題1，這里主要涉及兩個(gè)方面：數據采集和數據壓縮。數據采集：數據采集主要是通過(guò)各種信號采集設備實(shí)現，物體的結構可以通過(guò)傳統的三維掃描識別和軟件來(lái)實(shí)現，但單純的幾何建模無(wú)法獲取像觸感等其他物理交互屬性。如清華大學(xué)孫富春教授團隊研制的觸覺(jué)手套，可以采集人手的指尖與手掌操作過(guò)程的觸覺(jué)信息[2]。同時(shí)觸覺(jué)信號的采集往往包含位置、角度、速度、力等多維信息,因此, 在進(jìn)行觸覺(jué)再現的信號建模等處理之前, 需要對采集的原始觸覺(jué)數據進(jìn)行壓縮或降維。

針對問(wèn)題2，目前建模渲染主要有兩種方式：基于觸覺(jué)數據和基于視覺(jué)數據�；�于觸覺(jué)數據：物體材質(zhì)的觸覺(jué)信息包括材質(zhì)的紋理輪廓、摩擦力、振動(dòng)信號等, 觸覺(jué)再現即是模擬、重建材質(zhì)表面觸覺(jué)信息的過(guò)程�；�于真實(shí)的觸覺(jué)交互數據可以構建物體表面的紋理或幾何輪廓模型, 或通過(guò)參數化建模等方式計算材質(zhì)表面的觸覺(jué)信號,實(shí)現虛擬物體表面的觸覺(jué)再現�；�于視覺(jué)數據：觸覺(jué)數據需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)的采集設備進(jìn)行收集和處理, 數據獲取要求G, 目前得到的觸覺(jué)數據規模小。相比觸覺(jué)數據集, 自然圖像和紋理圖像有大量的公開(kāi)數據集可以獲取, 這些圖像中往往包含豐富的視覺(jué)和觸覺(jué)特征�；�于圖像特征提取的觸覺(jué)再現從圖片的灰度、深度等信息獲取圖像中紋理表面的輪廓和特征, 將圖像幾何信息映射到觸覺(jué)信息后實(shí)現觸覺(jué)渲染。 

3.觸覺(jué)再現系統

觸覺(jué)再現研究目的在于設計出優(yōu)異的觸覺(jué)再現系統以提G人機交互的效率，優(yōu)異主要體現在：真實(shí)的觸覺(jué)再現、G效的人機交互和豐富的感知體驗。目前觸覺(jué)再現系統按交互形式主要分為觸摸屏系統、觸覺(jué)筆系統、可穿戴系統、主動(dòng)表面和空氣觸覺(jué)系統。如清華大學(xué)史元春教授團隊針對現有觸覺(jué)圖形顯示器進(jìn)行交互技術(shù)和用戶(hù)體驗的研究[3]。其從盲人觸覺(jué)這一應用L域入手，對比目前主流的觸摸屏，通過(guò)實(shí)驗分析了觸摸屏工作方式和點(diǎn)陣幅面對盲人交互體驗的影響，終得出了一套觸覺(jué)顯示器的交互體驗原則：符合盲人用戶(hù)的自身認知、合理使用隱喻、使用場(chǎng)景多樣, 以及成本控制。如在shadow靈巧手操控中，數據手套指尖穿戴振動(dòng)器，將shadow靈巧手的觸覺(jué)反饋給人手，以此增加遙操作機器人的沉浸感。

4.展望

目前的觸覺(jué)再現技術(shù)可實(shí)現的真實(shí)感和交互性有限, 復雜感知機理和G開(kāi)發(fā)成本增加了該L域的研究難度。面對觸覺(jué)再現技術(shù)的發(fā)展現狀, 結合觸覺(jué)再現系統的應用需求, 未來(lái)觸覺(jué)再現技術(shù)的突破發(fā)展有望從觸覺(jué)感知機理、觸覺(jué)數據建模、觸覺(jué)反饋系統和觸覺(jué)交互應用幾個(gè)方向共同展開(kāi)：

(1) 觸覺(jué)感知機理的深入思考

由于缺乏系統的方法和多項技術(shù)發(fā)展阻礙, 尚未有系統且完整的理論表述觸覺(jué)感知的各項影響因素。人體觸覺(jué)感知機制的研究需要綜合多門(mén)學(xué)科、從多個(gè)角度展開(kāi)探索。

(2) 觸覺(jué)建模算法的不斷探索

觸覺(jué)感知會(huì )受到神經(jīng)生理組織、交互方式等多方面的影響, 準確提取和記錄觸覺(jué)交互過(guò)程中相關(guān)參數, 尋找并構建更準確的觸覺(jué)計算模型, 有助于提G觸覺(jué)再現信號的準確性和真實(shí)度。目前采集的真實(shí)觸覺(jué)數據量及其可反映的物體觸覺(jué)屬性有限, 而且數據在采集、建模、傳輸和再現過(guò)程中均有部分觸覺(jué)信息損失。未來(lái)在觸覺(jué)數據的提取和記錄方面, 需要設計低本、多維度的觸覺(jué)數據采集系統, 構建統一的觸覺(jué)數據采集和處理標準；在增加觸覺(jué)數據采集數量和維度的基礎上, 提升觸覺(jué)信號傳輸速率和信息保真率, 降低觸覺(jué)數據處理和分析過(guò)程中的信息損失。在觸覺(jué)數據建模方面, 針對簡(jiǎn)單數學(xué)模型無(wú)法準確建模的觸覺(jué)信號, 基于深度學(xué)習技術(shù)練 更復雜的網(wǎng)絡(luò )模型, 能夠對觸覺(jué)數據進(jìn)行更準確的特征提取和建模處理; 此外, 針對觸覺(jué)技術(shù)研發(fā) 成本G的問(wèn)題, 通過(guò)結合大數據技術(shù)建立和發(fā)布大規模開(kāi)放式觸覺(jué)數據集, 能夠J大程度地促進(jìn)虛擬觸覺(jué)再現技術(shù)的飛躍。

(3) 觸覺(jué)再現系統的創(chuàng )新設計

目前, 傳統的觸覺(jué)再現系統正在向更多交互維度、更大操作空間等趨勢發(fā)展, 然而這些系統依然面臨著(zhù)便攜性差、真實(shí)感弱、觸覺(jué)反饋強度有限、不同維度性能差異大等問(wèn)題。開(kāi)發(fā)基于移動(dòng)終端及可穿戴式觸覺(jué)再現系統、增加觸覺(jué)再現系統的觸覺(jué)信息將是觸覺(jué)再現技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

(4) 觸覺(jué)交互應用的協(xié)同發(fā)展

由于觸覺(jué)反饋方式和系統的限制, 觸覺(jué)交互應用開(kāi)發(fā)成本G, 而觸覺(jué)交互系統的增強效果還停留在簡(jiǎn)單的振動(dòng)碰撞模擬, 觸覺(jué)再現技術(shù)帶來(lái)的交互體驗和效率優(yōu)化價(jià)值難以評判。