导读

最近,美国卡耐基梅隆大学研发出一种新的触控技术,它通过在任何形状的物体表面喷漆,使其表面具有触摸感知能力,成为触控面板。并且,这项技术方便简单、成本低廉、和现有的工业制造工艺兼容。

关键字

人机交互、触控技术、计算机


背景


触技术现在已经非常普及了。触摸屏和触摸板,广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备、智能硬件、机器人等产品,已经成为一种非常流行的人机交互方式。


当然,任何技术都在不断创新和进步,触摸感知技术也一样,例如苹果的3D Touch 技术就是一项,它是一种立体式的多点触控技术,除了让屏幕可以感知到手指在二维平面的位置和轨迹外,还可以感应不同的触控压力。


还有,例如John 在《微软研究院展示“预感知”触摸屏原型》一文中,曾介绍过一种具有“预感知”功能的触摸屏,当使用者靠近触摸屏时,它可以预测手指动作的方向和速度,以及抓握手机的姿势,从而拓展人机交互方式。


例如,用户在网页浏览时,网页上一般不会出现相关触控按钮,只有当手指靠近时,才会出现这样的操作界面,这样可以提升用户阅读时的体验。

(图片来源于:微软亚洲研究院)

虽然出现了不少创新,但是现在的触摸屏和触摸板技术,还是有几个问题


  • 形状固定,还是平面形状的居多,当然现在也出现了曲面屏,但是还较少。

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

  • 如果触控表面的面积增大,那么成本会显著提高,会变得很昂贵。

  • 柔性的触摸板和触摸屏大部分还处于实验室阶段。例如《“水凝胶”触摸板诞生:未来应用前景广阔》一文中曾经介绍过的“水凝胶”触摸板,研究人员可以通过它玩“愤怒的小鸟”游戏,但是目前我仍未得到这项技术大规模商用的消息。



(图片来源于:C.-C. Kim et al., Science ,2016)



除了触摸屏外,我还介绍过很多人机交互相关的创新技术,例如利用声波,或者是用人体作为电波导装置,以及向屏幕吹气等创新方式,有兴趣的朋友们可以查阅之前的相关文章。


创新


通过上面的背景介绍,我们既看到了触摸屏技术的一些创新和进展,也看到了它面临的一些瓶颈和问题,同时还看到了人机交互相关的更多创新技术。


回到触摸感知技术的话题,目前的技术趋势是让触摸板和触摸屏变得更柔性、形状更丰富、面积更大、使用更便捷、成本更低。最近,美国卡耐基梅隆大学的科研人员在这方面,又进行了创新探索,让触摸感知技术能够应用到具有更大表面积,甚至形状不规则的物体表面。


这项技术称为“Electrick”,非常简单便捷。研究人员称,只需要利用一罐喷漆,就可以将各种物体表面变成触摸板。这些物体表面可以具有不同的形状和尺寸。未来,这项创新技术有望将墙面、家具、方向盘、玩具甚至果冻,都变成触摸传感器。


技术


技术的核心就是在物体表面添加导电涂料和材料,或者直接使用导电材料制作物体,下面我们简单介绍一下制造工艺和核心原理。


  • 制造工艺


制造工艺其实很简单。首先,研究人员在物体表面喷洒导电涂料。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

然后,再在物体表面的交互感知区域,添加一些电极,用于感知手指的位置。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

通过这样的方法,计算机就可以感知手指在物体表面的不同位置点,同样也可以持续追踪手指移动的轨迹。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

“Electrick”技术用到的导电的触摸表面,可以通过导电油漆、大块塑料或者具有碳元素的薄膜等制作而成。所以,这项技术不仅适用于发烧友,同样也可适用于工业制造方案,例如喷涂、真空成型、铸造/成型、以及3D打印技术。

  • 工作原理

和许多触摸屏技术一样,这项技术的原理也依赖于并联效应。当手指触摸物体表面时,一小部分电流会通过手指分流到地面。


研究人员会在物体的外围或者导电涂料上,增加多个电极,并且测量邻近一对电极之间的电压。当手指触摸物体导电表面的时候,会分走一部分电流,引起局部电压的降低。为了更好的定位触摸位置,研究人员重复这一过程,测量多个电极之间的电压变化。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

然后,他们又使用到了著名的“电场成像”技术,创建手指触摸的二维图像,以便于更好地显示出触摸位置。

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

为了演示这项技术的效果,研究人员利用了 Velostat 导电薄膜,在面积是60厘米乘以60厘米的板上,通过16个电极进行触摸感知实验,演示感知手指的位置和运动轨迹。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

价值


相对于其它触控设备,Electrick 技术还是比较精准的,它能够检测到手指触摸位置的精度达1厘米。研究人员将材料分成了三类:固态材料、喷漆、柔性材料,分别演示了一些应用。


  • 固态材料

首先,要介绍的是一种添加碳元素的固态材料“Velostat ”。它是一种薄膜材料,通常用于包装电子元器件,它可以用于粘贴在平面上,制作成触摸板。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

当然,这种材料还可以制作成各种各样三维形状,例如智能手机套。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)


这种手机套是具有触摸感知功能的,它可以检测到用户握手机的方式不同,和手机应用程序进行交互,例如打开摄像头程序,或者打开短消息信用程序的键盘。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

这种材料还可以用于游戏手柄的表面,玩家可以根据自己的喜好,以及不同的游戏,改变按钮和滑块的位置和组合。

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)


除了Velostat ”材料,研究人员还使用了另外一种材料:添加碳元素的ABS材料,它比较适合注塑成型和3D打印。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

利用3D打印机和这种材料,很容易就可以打印出一种类似手机支架的产品。

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)


但是,这种手机支架和一般的手机支架不同,你可以通过手指触摸它,控制游戏。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

  • 喷漆

除了利用固态材料制作出可进行触摸交互的物体,当然还可以通过液态材料喷漆的方法。演示中,研究人员使用了具有碳元素的导电油漆,这种油漆一般用于电子产品。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

这种导电油漆,可以很方便地涂在各种物体的表面,不管是平面的还是不规则的。例如,研究人员将油漆涂到了一个电子吉他的表面。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)


演奏时,他可以通过触摸吉他的不同部分,与电脑程序之间的进行交互。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

另外,研究人员还将导电油漆喷涂到了汽车方向盘的表面。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

当用户的手和方向盘之间的进行触摸交互时,通过应用程序就能感知出单手还是双手触碰方向盘,以及手和方向盘交互的各种方式。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

另外,导电油漆还可以喷涂到具有巨大表面积的物体,例如桌子

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

然后,科技人员通过在桌面上添加一些贴纸,来拓展手指对于电脑程序的控制。

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

另外,这种油漆还可以涂到干的墙面上。然后,用户可以通过手指触摸墙面,开关和控制灯的亮度。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

  • 柔性材料


这些材料通常是比较柔软,且具有韧性的,比较适合于制造柔性产品。


在演示中,科研人员使用了传统的硅胶,添加碳纤维制作成了一个类似外星人的触控物体,当用户用手指触摸它时,就可以和电脑应用程序进行交互。


(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

同样,研究人员制作了一个果冻样的、柔软的大脑模型,并且通过手指触摸它,与电脑应用程序交互。其实,这个案例很适合用于教学演示。

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

最后,研究人员还设计了一个雪人般的小玩具。同样,通过触摸这个小玩具,也可以和电脑上的应用程序进行交互。例如,触摸玩偶的不同部分,它就会发出的不同声音,电脑应用程序也会显示不同的句子。

(图片来源于:卡耐基梅隆大学/Future Interfaces Group)

参考资料


【1】https://www.cs.cmu.edu/news/cmu-researchers-create-touchpads-can-spray-paint


需要进行深入咨询和交流的朋友,请联系微信:JohnZh1984

让物体具备触摸感知能力,新科技采用喷漆的方法!
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