最近,媒體報導蘋果新一代手機iPhone 6s 中會采用 Force Touch 技術。其實,早在 Apple Watch 和 MacBook 系列筆電上就已經(jīng)有所應用,不過這次的版本與之前不同。因為 MacBook 觸摸板和 Apple Watch 可感應兩種不同水準的壓力,即輕點和按壓。而根據(jù)外媒爆料,新一代iPhone 的“3D Touch Display”可以感應三種不同水準的壓力,有輕點、按壓和更強的按壓。
所以,“3D Touch”的命名很可能因此而來。
因為專業(yè)的緣故,我在新一代觸覺振動技術上耕耘多年,看到這個消息覺得很興奮,覺得觸覺互動的春天來了。帶著對“觸覺互動”、下一代“人機對話”的好奇,我在這里來科普一下蘋果的新“外星科技”:3D Touch 技術,以及由此開啟的更廣闊方向-觸覺互動。
一、由 Force Touch 開啟的“觸覺互動”大門
Force Touch,即壓力觸覺,指透過感應壓力的產(chǎn)生和改變,從而實現(xiàn)電學資料的變化,再透過電學資料而產(chǎn)生指令,最后達到壓力而間接實現(xiàn)指令的過程。
壓力觸覺的研究探索,已經(jīng)有很多年了。其中,美國 Z-origin 的 Z-Tohch 則是較早的觸摸探索者,后來,微軟、黑莓都相繼提出觸摸方面的專利和應用,但由于各類原因,其觸摸給顧客感受,并不完美。
前不久,華為也在中國發(fā)布了其壓力觸摸屏幕的手機 MATE S,其采用的技術方案暫未拆解清楚,但以其比上一款更薄的宣傳,其技術方案與蘋果有些許差異,但卻沒能引起產(chǎn)業(yè)的熱議,蘋果的影響力之大可想而知。
蘋果發(fā)布的壓力觸摸,以蘋果慣有的風格而言,應該是比較成熟和完善的,所以才會發(fā)布在手機上。因此,蘋果的號召力,讓壓力觸摸開啟了“觸覺互動”的大門。
目前的手機,對于觸覺回饋的應用,僅僅停留在振動和提醒上。但是,美國“IMMERSION”公司等振動和觸摸行業(yè)的公司,已經(jīng)布局了基于“觸覺互動”的大量技術儲備與專利,其中軟件系統(tǒng)和硬件均有中國科技公司的身影。
比如 TI公司早前推出過基于高電壓的新一代振動馬達的驅(qū)動芯片;IMMERSION 公司布局了多項振動回饋專利,其網(wǎng)站也顯示推出新一代振動回饋方案;中國如衡業(yè)新材等,也在研發(fā)“新一代觸摸回饋”的核心硬件。
這次蘋果推出了“Force Touch”的技術應用,為更廣大的“人機觸覺互動”打開了大門,讓用戶邁進了新一代“觸覺互動”的時代。
二、3D Touch 的技術原理
壓力觸摸的原理,其實很容易理解:
屏幕感應手指壓力——透過手指壓力的面積變化——從而產(chǎn)生不同的電學信號——壓力感測器件根據(jù)電信號進行處理——手機 CPU 接收壓力感測器訊號——手機 CPU 產(chǎn)生相應的指令——顧客感知由壓力產(chǎn)生的指令變化(比如屏幕變化、功能表)
下圖就是展示使用者如何透過按壓方式,獲得手機 / 平板回應的這一完整流程:
從上圖所示,觸覺回饋的技術原理,由觸摸產(chǎn)生的壓力、壓力的辨識、辨識后的回饋指令這三大部分組成,其中很重要的是觸覺感測器“Force Touch Sensors”,它是按壓觸摸的重要零件。
而手機構造的輕薄,也對觸摸感測器與 FPC 提出很高的要求,相對于平板和電腦來說必須非常輕薄。這次蘋果手機反而增加厚度,是因為“Force Touch”的關鍵零件所產(chǎn)生的厚度,也就是加入了 Force Touch 壓力模組。不過也有傳,蘋果在下一代手機上,會縮小這個厚度,那么蘋果屆時會在哪里做何改動?(編按:蘋果的作法是把相關的感應器整合進in-cell 的面板中,官方發(fā)布的影片就有部分說明)
三、3D Touch 的構造
1、整體觸摸構造:
根據(jù)目前對iPhone 6s 的拆解,其采用的屏幕依然是Incell 屏幕,供應商為 JDI等日本公司,Incell 屏幕的觸摸層在 COVER GLASS 之下,而且還要加上“Force Touch”的物理零件,因此,屏幕的構造必須非常精巧。
2、觸摸層的特殊變革 / 材料變化
雖然依然是Incell 屏幕,而其觸摸層是否引入了最新的革命性材料,暫時尚未可知,但從網(wǎng)絡上能看到:蘋果要求其日本供應商供應納米銀屏幕,因此,行業(yè)看好的 SILVER NANO WIRE(納米銀)是否已經(jīng)應用與新一代蘋果中,暫未確認。
▲ SILVER NANO WIRE。
蘋果的專利顯示,蘋果將原有的觸摸層,接近液晶的部分,將其中ITO 的 VCOM 層切割成平行線,就是為了壓力觸摸的實現(xiàn)。
3、壓力感測器部分
根據(jù)對蘋果 Mac 的公開拆解,Mac 上有四個壓力感測器,分別位于觸摸的四方,而且還有一個由磁性材料組成的“回饋體系”。
▲ Mac 的觸摸板拆解。
從以上拆解的 Mac 觸摸板上看,F(xiàn)orce Touch 早已應用在 Mac 上,由于 Mac 面積和厚度,都更適合進行壓力觸感層的處理,因此,蘋果手機的采用,也來自于在 Mac 上使用的工藝積累。
必須要看到的是,Mac 上有個專門的“回饋系統(tǒng)”──
由磁性材料組成的“回饋器”,它的作用是對用戶按壓時進行聲音或震動的回饋,讓用戶的體驗更有“真實感”。
▲網(wǎng)上流出的蘋果iPhone 6s 的拆解:比iPhone 6 略厚,因為內(nèi)置了觸摸感測器。
由于目前還沒有真實完整的iPhone 6s 拆解,特別是針對其壓力觸摸部分的逐件拆解,因此,如何精巧地將壓力觸摸部分放置其中是一大難題。且根據(jù)媒體公布手機厚度增加,應該起觸摸控制器件的作用,但目前尚無法做到非常輕薄,有其物理極限。
下一代的iPhone 7,蘋果已經(jīng)表示會更薄,而更薄是來自于觸摸部分的變化,還是蘋果本身其他零件結(jié)構的變化,不得而知,只能等相關消息放出,我們再做深入分析。
四、“觸覺互動”才是 Force Touch 開啟的未來
1、觸覺互動的起源與雛形
壓力傳感技術,只是“觸覺回饋體系”的開局,下一代手機有望在觸覺回饋體系上,衍生出很多令消費者驚呼的應用。目前的 Force Touch 技術,只有指令和屏幕功能的變化,還沒有來自“手機對顧客的物理回饋”。
──這就是未來的“觸覺互動”。
觸覺互動不僅包括手機軟件體系的回饋,也包括手機“硬件體系的回饋”。比如,當你觸摸屏幕上的仙人掌,如果能感到一種刺手的感覺,這就是對“觸覺互動”的通俗詮釋。更通俗來說,就是模擬、真實的感覺。
幾年前,日本在觸覺振動零件的推動下,生產(chǎn)了幾款可以快速回應振動的手機和平板,但當時的這些產(chǎn)品和壓力觸摸都沒有多大關系:
比如,日本 DOCOMO 生產(chǎn)一款“RAKURAKU”老人手機,其振動回饋可以讓老人在觸摸屏幕時有觸感,像在按壓鍵盤一樣的實物感,還曾風靡一時;日本松下也推出獨特振動回饋的平板;韓國 PANTECH(潘泰)也推出過精敏振動的平板等。
▲日本富士通的 RAKURAKU 老人手機。
但由于當時沒有提出由壓力傳導,再透過物理回饋而組成一個閉環(huán)回路,這些置入了觸覺振動零件的產(chǎn)品并沒有引起行業(yè)的熱議,但這已經(jīng)算是“觸覺互動的雛形”。
2、觸覺互動的關鍵器件:物理回饋器件
觸覺互動體系,離不開一個關鍵零件:觸覺振動回饋零件,它要求的回饋速度和精度,根本不是現(xiàn)有的偏轉(zhuǎn)振動馬達或直線振動馬達所能達到的。它需要全新的振動回饋零件,其中包括磁性材料、壓電陶瓷材料,而壓電陶瓷材料與 MEMS 工藝結(jié)合的器件,被認為是最佳的回饋零件。
而頗悲傷的是,目前壓電 MEMS 器件也在突破之中。現(xiàn)在存在的局限性有:體積只適合 PAD,離手機對體積的要求有距離、功耗問題,但目前由多層陶瓷帶來的功耗大大降低,有望解決這一問題。
從事關鍵硬件研發(fā)的有日本的科技企業(yè),也有中國年輕的海歸科技企業(yè)的身影。比如有從事陶瓷振動材料與零件研發(fā)的的科研朋友常和我坦言:我們堅信這一趨勢,透過材料與結(jié)構技術,已經(jīng)將電壓由 100V以上降到 36V,并在部分大尺寸的平板上進行試用,但應用于手機上面,還需要在體積等方面進行諸多改進。
▲中國企業(yè)衡業(yè)新材研發(fā)的“新一代陶瓷振動零件”原型。
3 、“觸覺互動”的未來
蘋果引領的“觸覺互動”,有著廣闊的未來應用前景,它不僅讓顧客有真正的“人機對話”體驗感,更會產(chǎn)生更多更大的應用市場,比如物聯(lián)網(wǎng)的應用等,也將翻開手機應用的新一頁。
更重要的是,觸覺回饋也將帶來行業(yè)的一系列連鎖反應,將催生更多新材料、新工藝、新零件的革命,特別是新材料與 MEMS 工藝的結(jié)合,將在其中得到廣泛的應用。
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