在中國人心中，每年央視春節聯歡晚會都是一桌充滿話題的文化 “年夜飯”，春晚應用的新科技也會成為人們談論的焦點。今年春晚利用電腦模擬制造的視覺效果，讓不少觀眾眼前一亮，計算機增強現實技術就此成為科技迷關注的熱點。增強現實技術實際上是一種借由計算機制造出一個虛擬世界，讓使用者獲得身臨其境感覺的新技術，視覺增強只是其中的一個分支。很快，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺在內的多感官模擬技術，也將成為未來計算機發展的主要方向。

　　計算機觸覺技術漸漸走入我們的生活，IBM（國際商業機器）公司甚至預測未來幾年內，將會把這項技術廣泛應用到電腦上。比如在線購物時，商家將使用觸覺技術讓客戶提前“觸摸”商品：購物者在有衣物圖像的屏幕上滑動手指，系統就可以模擬出衣物的紋理，使客戶感受到商品的質地。這將會為我們的生活帶來很多的方便。計算機觸覺技術是如何讓我們坐在家里就能“觸摸”世界的？這項技術將在哪些領域得到應用？未來會朝著什么樣的方向發展？

　　計算機觸覺交互技術可實現“隔空”探物

　　王教授，計算機觸覺技術都能模擬哪些感覺體驗？

　　王黨校：計算機觸覺或稱觸（力）覺交互技術，可以使操作者通過運動或力等形式感知虛擬環境中物體的粗糙度、紋理、溫度、振動和剛度、硬度、重量以及操作力等豐富的外界環境信息，從而使操作者體驗到如同操作真實物體的觸（力）覺感知效果。

　　您能具體介紹一下這項技術的工作原理嗎？

　　王黨校：好的。計算機觸覺系統由觸（力）覺反饋設備、虛擬交互環境以及操作者構成。操作者直接操作觸（力）覺反饋設備，虛擬交互環境根據映射的操作者的運動信息（如位置、速度）以及虛擬交互場景進行碰撞檢測和觸（力）覺渲染等計算，觸（力）覺反饋設備將渲染的反饋力施加或作用于操作者。

　　總體說來，創造觸覺系統有多種方法。雖然它們看上去可能差別很大，但是大都有兩個非常重要的共同點——當操縱者的虛擬形象與物體發生交互作用時決定力度大小的軟件，以及可以將作用力反饋給操縱者的設備。軟件進行運算的過程被稱作觸覺再現。比如，可以用多面體模型來模擬虛擬世界中的物體，這些三維模型可以準確刻畫出許多形狀，也可以通過模擬作用力與物體不同面的接觸效果，來計算觸摸數據。這種三維物體可以模擬出各類表面材質，上面提到的網購時，客戶可“隔空”感受衣服的質地應用的就是這種原理。

　　從可以提供反饋信息、能夠與人互動這個角度來看，計算機觸覺設備很像是一個機器人。

　　王黨校：確實是這樣。計算機觸覺技術是機器人科學技術中的重要分支。計算機將人類的腦力加以延伸，互聯網使人類的交流打破了空間界限，機器人將“延長”人類的手，使人類的體力超越空間的界限。隨著機器人技術的發展，各種領域中機器人將成為人類的幫手和“代理”，機器人和互聯網的結合使得人類的腦力和體力得到空前的增長，必將大大提高人類生產效率和生活質量。

　　應用領域十分廣泛未來生活無“觸”不在

　　計算機觸覺技術包含的信息是否可以像視頻音頻文件一樣，被我們下載使用？

　　王黨校：這應該是不難做到的。在我參加的2012年IEEE觸（力）覺研討會上，很多外國研究人員已經基于錄制播放的思想研究出了一些設備。比如科學家瑪格麗特·瑪吉奧等人研制了視覺聽覺觸覺聯合的訓練系統，用來培訓醫學院學生進行牙齒齲壞組織的感受體驗。這種系統，在一個改進的牙科探針上安裝了一個小型振動傳感器和振動電機。在錄制階段，首先由醫生用探針探診牙齒齲壞組織和刮磨齲齒表面等操作，通過振動傳感器記錄探針的振動信號，通過麥克風和攝像頭同步記錄聲音和操作過程。在播放階段，學生手持探針，可以同時獲得視覺聽覺觸覺的反饋，從而更直觀地體會牙齒齲壞組織的操作感受。如果稍加整合加工，將視覺聽覺觸覺信息數據發到網上，那么人人都可以下載使用這樣的資源。

　　想必計算機觸覺技術未來會在生活中得到廣泛使用。然而我們更關心的是它最近的應用都有哪些，您能為我們介紹一下嗎？

　　王黨校：計算機觸覺技術與計算機圖形學、觸覺心理學和機器人技術密切相關。目前，計算機觸覺技術的研究和應用領域主要集中在：手術模擬、機器人主從控制、產品虛擬樣機設計、游戲和娛樂、科學計算可視化等。 
 
　　王黨校：這項技術應用于醫療領域，可以構建虛擬現實的手術模擬和培訓系統，從而提高手術培訓的逼真度和降低成本。實際上，世界上很多國家的大學、研究所都已經從不同角度開展了其在醫學領域的研究。比如，加州大學伯克利分校的研究人員開發出了一種新的觸覺虛擬現實系統，模擬工具與軟組織交互的手術過程，并且作為操作接口控制手術機器人實現微創手術。

　　這項技術還可以被應用于機器人系統的主從操作和遙操作，給位于異地的操作者提供力覺信息，模擬其臨場操作的觸覺感知，以提高操作質量和效率。美國國家航空航天局、德國宇航局等單位已經將它應用在機器人遙操作中，輔助操作人員更好地完成艱巨的科學任務。

　　此外，國外一些公司還依據計算機觸覺技術開發了輔助藝術家進行虛擬雕刻的設備。波音公司在飛機數字化設計過程中，采用力覺顯示模擬座艙內操作設備的碰撞檢測和操作友好性測試。有的公司還開發出了力反饋鼠標和力反饋數據手套，可以方便地集成到游戲軟件中，為增強游戲逼真度和趣味性提供了極富潛力的途徑。

　　計算機觸覺技術的發展促使人類更加了解自己

　　目前計算機觸覺技術有哪些研究熱點？

　　王黨校：情感計算與觸（力）覺交互的結合將會是未來幾年的研究熱點之一。新加坡國立大學的專家研制的觸（力）覺夾克可以用來實現遠程交流中的擁抱式觸（力）覺反饋。這種夾克由多個獨立的氣動模塊控制，通過充氣和排氣模擬人體擁抱感受。我們可以想象不久后人們不光可以在線視頻，還可以在線擁抱。能夠獲得遠方親人熱情的擁抱，對于那些遠離親人的用戶，將是多么大的情感慰藉。

　　寵物是人類的好朋友，能夠幫助人驅散孤獨。因此有人發明了一種具有觸覺感知能力的機器寵物，它可以通過傳感器感知人的觸摸，并能夠通過身體的起伏模擬呼吸和表達情緒。如果有這樣一個寵物實現人和機器動物之間基于觸覺的感情交流，那么很多人的焦慮情緒將得到緩解。

　　此外，觸（力）覺人機交互、觸（力）覺錄制播放等都將形成研究熱點。

　　您能為我們預測一下這項技術未來的整體方向嗎？

　　王黨校：計算機觸覺技術是新一代人和計算機交互的關鍵技術。計算機從問世以來，一直朝著便利于人類使用的方向發展。從紙帶輸入、鍵盤輸入到廣泛使用的鼠標輸入，人機交互朝著自然、高效的方向發展。當前技術下使計算機變得更有效的瓶頸不在于計算速度和圖像顯示，而在于和人交互的信息帶寬，這只能通過先進的人機接口來實現。未來的計算機除了GUI（圖形用戶界面），還會產生HUI（觸覺用戶界面）、語音輸入、眼動輸入等。HUI不同于GUI等傳統人機交互方式的特點是人機之間不再是人-機信息的單向流動，而是雙向的流動過程。使用者將真正體會到和虛擬世界的交互。因此力覺和觸覺反饋的研究必將促進計算機體系結構和硬件、軟件技術的發展。
 
　　從另外一個角度講，這項技術包含機器人學、虛擬現實、計算機圖形學、人類生理學和心理學等學科的知識。要真實模擬人所感受的力和觸覺，必須了解人類觸覺和力覺感受機理。人的運動空間、身體各部分所能感受的力和力矩的范圍和分辨率、人對于不同性質力信號的感知能力的差異、人的心理因素等都是與力覺和觸覺反饋密切相關的問題。因此力覺和觸覺反饋的研究必將促進對于人類自身的認識和理解。

　　廣告中經常提到 “科技以人為本”這句話。確實，每一項科學技術產生的原動力都是為了滿足人類的需求，方便人類的生活。然而從另外一個角度看，每當人們取得某項技術階段性進步的時候，卻同樣也是這項技術再次向人類提出更深刻問題的時刻。正如計算機觸覺技術的發展，將為我們未來的生活帶來極大方便，同時它也要求我們不斷挖掘人類自身的觸覺和力覺感受機理，敦促人類繼續不斷深入探求“我是誰？ ”這一問題的答案。

　　專家檔案

　　王黨校 博士。北京航空航天大學虛擬現實技術與系統國家重點實驗室和機器人研究所副教授。中國計算機學會會員，IEEE （美國電氣和電子工程師協會）高級會員，IEEE機器人學會觸覺技術專業委員會副主席，北京市科技新星。主持國家自然科學基金 “基于雙模式觸覺交互的靈巧動作技能訓練方法研究”、國家863計劃 “面向手眼協調操作的觸（力）覺合成和視覺-力覺融合再現技術”等多項科研項目。主要研究領域為計算機觸覺、虛擬現實技術、智能機器人技術。