支持触觉反馈的产品设计实践

来源：DigiKey
作者：Pete Bartolik

随着数字工具和服务的设备日益普及和实用，越来越多的产品设计师开始集成触觉技术，以确保更高的用户参与度并提供更沉浸的体验。通过提供触摸式感觉增强数字界面，增加触觉互动，创造补充或超越视觉和听觉的额外体验。渴望利用触觉功能的设计师可以利用现成的元件来开发新的用例和商机。

从智能手机到汽车，再到收银机和自动取款机，触觉技术已被广泛应用于各种引人注目的消费产品中。它们还用于医疗设备和手术工具、工业和制造机械以及楼宇自动化应用。

触觉学的起源可以追溯到 1880 年，当时 Pierre 和 Jacques Curie 展示了某些材料的压电效应，通过施加机械力可产生微小的电荷。当施加电压时，反向压电效应会使材料产生物理运动，早期的超声波潜艇探测和机载无线电系统就是利用这种效应开发的。这些原理也是小型扬声器、麦克风甚至音乐礼品卡中常用的致动器和传感器的核心。

将触觉功能与虚拟现实 (VR)、增强现实 (AR) 和物联网 (IoT) 相结合，有可能大大提高用户与现有设备的互动性，并为新应用铺平道路。压电触觉致动器为虚拟互动增添了逼真的触感，振动提供了自然而引人入胜的响应感，例如模拟从赛车到武器射击的游戏体验。

在克服视觉或听觉限制识别关键警报的因素方面，触觉技术可以发挥重要作用。例如，在医疗环境中，触觉技术可以帮助从业人员更快地对多种输入做出反应，在这种情况下，每一秒都可能对健康结果产生影响，因此触觉技术可以证明是救命的技术。

感受未来：应用和用例

触觉技术的潜力只受限于产品设计师的想像力。随着 AR 和 VR 的普及，以及人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 的不断发展，触觉技术很可能会在为各行各业提供越来越多的沉浸式数字体验方面发挥突出作用，具体包括：

· 在医疗领域，触觉技术已经开始在机器人辅助手术和侵入性牙科手术中发挥作用，帮助复现医生在多年实践中获得的触觉体验。通过与 VR 技术相结合，触觉技术可以模拟真实世界的手术过程，提供从挥动手术刀到触摸心脏的亲身体验，从而推动医疗技能的学习。触觉技术可以促进患者康复，帮助中风患者重新学习关键的运动技能，并为截肢者提供克服机械假肢局限性的能力。
· 在汽车用例中，触觉技术已经在为汽车驾驶员提供车道偏离和未能正确握住方向盘的触觉警告。智能手表与导航系统的集成可以提醒操作员即将转弯，从而减少他们将视线转移到车载屏幕上地图的需要。
· 在工业和制造业领域，重型设备操作员和生产线工人很容易因为看按钮或屏幕而分心。触觉技术可以帮助他们专注于前方或后方的任务，同时确认他们做出了正确的选择，而无需将目光移开。我们还可以将触觉技术集成到手套和衣服中，以实现对机器的精确远程控制、提升分拣操作的准确性，以及在潜在危险环境中提供反馈或警报。
· 在零售和金融服务领域，客户在日常与收银机和自动取款机的常见接触中都会体验到触觉，例如使用银行卡和移动设备确认互动。将触觉技术和 AR/VR 技术相结合，就有可能带来丰富的在线购物体验，让消费者以虚拟方式复制他们在实体零售店的购物体验。
· 在消费电子产品领域，已证明触觉技术已经十分成熟。第一款触摸屏智能手机在 2000 年的消费电子展上即已推出，该技术很快被安卓和苹果智能手机所采用，最初是为了帮助提升用户在虚拟键盘上打字和按屏幕图标时的体验。但触觉技术早在 20 世纪 90 年代就通过丰富视频游戏玩家的体验取得了成功，控制器和配件（如方向盘）为驾驶和射击游戏等提供了触觉反馈。随着消费设备和数字服务（从健身追踪器到 AR/VR 头戴式设备和眼镜）的不断发展，产品设计师们正竞相开发新功能，使数字世界与实体世界一样触手可及。

获得成功的元件：满足各种需求的选择

产品设计师可以使用现成的元件产品组合，打造符合其规格和应用需求的触觉界面。

第一步要了解现有技术及其设计要求之间的差异。机电组件是提供触觉反应的最常见技术。它们通常分为以下几大类：

偏心旋转质量 (ERM) 致动器，利用连接到直流电机的离轴旋转质量块来产生振动，从而带来低频“ 轰鸣”感觉（图 1）。该致动器的振动频率与设备的驱动电压直接相关。由于在施加电压时，旋转电机只需很短的时间就能达到所需的速度，并使电机减速至停止，因此它们最适用于需要明显振动效果，但不严格需要精确振动模式的应用场合。PUI Audio 提供多种 ERM 致动器，包括表面贴装型 HD-EMB1104-SM-2，它采用 3.4 mm x 4.4 mm x 11 mm 的小型封装，可提供强烈的触觉反馈。它适用于医疗、汽车或工业领域；消费或便携设备；或安全设备。另一种选择是 PCI Audio HD-EM0602-LW15-R 无刷直流 ERM，与有刷致动器相比，其速度和扭矩控制更佳，使用寿命更长。


图 1：ERM 致动器零件分解图。（来源：PUI Audio）

线性谐振致动器 (LRA) 零件（图 2）由交流电驱动，沿一个轴向产生两个方向的振动，从而实现高分辨率、反应灵敏的振动模式，为用户提供有效信息。当线圈受到施加到设备上的信号频率和电压的激励时，LRA 通过使质量块沿线性方向移动来产生振动，从而实现对振动强度和频率的独立控制。与 ERM 不同的是，使用配备 LRA 的设备时，只要线圈受到激励，质量块会向上或向下移动，用户就会感觉到振动。这种技术与传统扬声器有关，在传统扬声器中，线圈受到波形激励，使磁铁和振膜移动并产生声波。PUI Audio 的 HD-LA1307-SM 是一款 IP 级的防水表面贴装 LRA，可无缝集成到各种终端应用中，如虚拟现实环境、游戏机、医疗模拟器、手持设备以及消费和工业控制接口。


图 2：LRA 的零件分解图。（来源：PUI Audio）

音圈电机 (VCM)，亦称音圈致动器 (VCA)（图 3），采用与 LRA 相同的音圈技术，但更类似于扬声器。质量块像 LRA 一样线性移动，但尺寸和质量都有所增大，产生的振动效果比 LRA 更真实、更强烈。PUI Audio 的 HD-VA2527 圆柱形 VCM 可提供灵活而复杂的振动效果。


图 3：VCA 零件分解图。（来源：PUI Audio）

压电触觉元件，通常称为压电弯曲片或蜂鸣器，它们基于反向压电效应，由平整的有源压电材料层组成，在施加电压时会弯曲和收缩，从而产生声音和振动。它们既有像 PUI Audio 的 HD-PAB1501 这样的圆盘，也有像 HD-PAS2507 这样的条带。压电弯曲片可以发出更复杂、更细腻的信号，如心跳声，带来前所未有的真实感。这些元件具有更高的位移精度、更快的响应速度、更强的动力能力和更长的使用寿命。与 ERM 和 LRA 相比，它们确实需要更高的电压，但设计师可以利用“弯曲片驱动器”集成电路来满足低压源的电压要求。

结语

触觉技术产品组合现在已经非常丰富，产品设计师可以利用现成的元件将触觉技术集成到其设备中。但他们必须评估哪种类型的振动适合其设计，以及每种执行器在满足设计规范、最终用户需求和特定应用方面的优势和局限性。有了正确的设计选择，就有可能创造出新的触觉产品，从而带来新的商机。