在中國人心中，每年央視春節(jié)聯(lián)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(xiàn)實技術(shù)就此成為科技迷關(guān)注的熱點。增強現(xiàn)實技術(shù)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(shù)，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(nèi)的多感官模擬技術(shù)，也將成為未來計算機發(fā)展的主要方向。

　　計算機觸覺技術(shù)漸漸走入我們的生活，IBM（國際商業(yè)機器）公司甚至預測未來幾年內(nèi)，將會把這項技術(shù)廣泛應用到電腦上。比如在線購物時，商家將使用觸覺技術(shù)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(tǒng)就可以模擬出衣物的紋理，使客戶感受到商品的質(zhì)地。這將會為我們的生活帶來很多的方便。計算機觸覺技術(shù)是如何讓我們坐在家里就能“觸摸”世界的？這項技術(shù)將在哪些領(lǐng)域得到應用？未來會朝著什么樣的方向發(fā)展？

　　計算機觸覺交互技術(shù)可實現(xiàn)“隔空”探物

　　王教授，計算機觸覺技術(shù)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(shù)，可以使操作者通過運動或力等形式感知虛擬環(huán)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(huán)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(shù)的工作原理嗎？

　　王黨校：好的。計算機觸覺系統(tǒng)由觸（力）覺反饋設備、虛擬交互環(huán)境以及操作者構(gòu)成。操作者直接操作觸（力）覺反饋設備，虛擬交互環(huán)境根據(jù)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(chuàng)造觸覺系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)。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(shù)據(jù)。這種三維物體可以模擬出各類表面材質(zhì)，上面提到的網(wǎng)購時，客戶可“隔空”感受衣服的質(zhì)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(shù)是機器人科學技術(shù)中的重要分支。計算機將人類的腦力加以延伸，互聯(lián)網(wǎng)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(shù)的發(fā)展，各種領(lǐng)域中機器人將成為人類的幫手和“代理”，機器人和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)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(chǎn)效率和生活質(zhì)量。

　　應用領(lǐng)域十分廣泛未來生活無“觸”不在

　　計算機觸覺技術(shù)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(jīng)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(lián)合的訓練系統(tǒng)，用來培訓醫(yī)學院學生進行牙齒齲壞組織的感受體驗。這種系統(tǒng)，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(yī)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(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)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(shù)未來會在生活中得到廣泛使用。然而我們更關(guān)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(shù)與計算機圖形學、觸覺心理學和機器人技術(shù)密切相關(guān)。目前，計算機觸覺技術(shù)的研究和應用領(lǐng)域主要集中在：手術(shù)模擬、機器人主從控制、產(chǎn)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(shù)應用于醫(yī)療領(lǐng)域，可以構(gòu)建虛擬現(xiàn)實的手術(shù)模擬和培訓系統(tǒng)，從而提高手術(shù)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(jīng)從不同角度開展了其在醫(yī)學領(lǐng)域的研究。比如，加州大學伯克利分校的研究人員開發(fā)出了一種新的觸覺虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，模擬工具與軟組織交互的手術(shù)過程，并且作為操作接口控制手術(shù)機器人實現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)。

　　這項技術(shù)還可以被應用于機器人系統(tǒng)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(zhì)量和效率。美國國家航空航天局、德國宇航局等單位已經(jīng)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(jù)計算機觸覺技術(shù)開發(fā)了輔助藝術(shù)家進行虛擬雕刻的設備。波音公司在飛機數(shù)字化設計過程中，采用力覺顯示模擬座艙內(nèi)操作設備的碰撞檢測和操作友好性測試。有的公司還開發(fā)出了力反饋鼠標和力反饋數(shù)據(jù)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(shù)的發(fā)展促使人類更加了解自己

　　目前計算機觸覺技術(shù)有哪些研究熱點？

　　王黨校：情感計算與觸（力）覺交互的結(jié)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(xiàn)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(qū)散孤獨。因此有人發(fā)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(xiàn)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(shù)未來的整體方向嗎？

　　王黨校：計算機觸覺技術(shù)是新一代人和計算機交互的關(guān)鍵技術(shù)。計算機從問世以來，一直朝著便利于人類使用的方向發(fā)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(fā)展。當前技術(shù)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(xiàn)。未來的計算機除了GUI（圖形用戶界面），還會產(chǎn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)和硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展。
 
　　從另外一個角度講，這項技術(shù)包含機器人學、虛擬現(xiàn)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(zhì)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(guān)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(jīng)常提到 “科技以人為本”這句話。確實，每一項科學技術(shù)產(chǎn)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?nèi)〉媚稠椉夹g(shù)階段性進步的時候，卻同樣也是這項技術(shù)再次向人類提出更深刻問題的時刻。正如計算機觸覺技術(shù)的發(fā)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(xù)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(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)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(xié)會）高級會員，IEEE機器人學會觸覺技術(shù)專業(yè)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(xié)調(diào)操作的觸（力）覺合成和視覺-力覺融合再現(xiàn)技術(shù)”等多項科研項目。主要研究領(lǐng)域為計算機觸覺、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、智能機器人技術(shù)。