讓物體具備觸摸感知能力，新科技採用噴漆的方法！

導讀

最近，美國卡耐基梅隆大學研發出一種新的觸控技術，它通過在任何形狀的物體表面噴漆，使其表面具有觸摸感知能力，成為觸控面板。並且，這項技術方便簡單、成本低廉、和現有的工業製造工藝兼容。

關鍵字

人機交互、觸控技術、計算機

背景

觸技術現在已經非常普及了。觸摸屏和觸摸板，廣泛應用於智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設備、智能硬體、機器人等產品，已經成為一種非常流行的人機交互方式。

當然，任何技術都在不斷創新和進步，觸摸感知技術也一樣，例如蘋果的3D Touch 技術就是一項，它是一種立體式的多點觸控技術，除了讓屏幕可以感知到手指在二維平面的位置和軌跡外，還可以感應不同的觸控壓力。

還有，例如John 在《微軟研究院展示「預感知」觸摸屏原型》一文中，曾介紹過一種具有「預感知」功能的觸摸屏，當使用者靠近觸摸屏時，它可以預測手指動作的方向和速度，以及抓握手機的姿勢，從而拓展人機交互方式。

例如，用戶在網頁瀏覽時，網頁上一般不會出現相關觸控按鈕，只有當手指靠近時，才會出現這樣的操作界面，這樣可以提升用戶閱讀時的體驗。

（圖片來源於：微軟亞洲研究院）

雖然出現了不少創新，但是現在的觸摸屏和觸摸板技術，還是有幾個問題：

• 形狀固定，還是平面形狀的居多，當然現在也出現了曲面屏，但是還較少。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

• 如果觸控表面的面積增大，那麼成本會顯著提高，會變得很昂貴。

• 柔性的觸摸板和觸摸屏大部分還處於實驗室階段。例如《「水凝膠」觸摸板誕生：未來應用前景廣闊》一文中曾經介紹過的「水凝膠」觸摸板，研究人員可以通過它玩「憤怒的小鳥」遊戲，但是目前我仍未得到這項技術大規模商用的消息。

(圖片來源於：C.-C. Kim et al., Science ，2016)

• 當然，還有一些依賴於計算機圖形學的技術，比如利用深度攝像頭，例如《不用觸摸屏，手指在手背上就可以控制智能設備！》一文中所介紹的創新技術。但是，攝像頭會受到障礙物干擾，同時也有可能侵犯到個人隱私。

除了觸摸屏外，我還介紹過很多人機交互相關的創新技術，例如利用聲波，或者是用人體作為電波導裝置，以及向屏幕吹氣等創新方式，有興趣的朋友們可以查閱之前的相關文章。

創新

通過上面的背景介紹，我們既看到了觸摸屏技術的一些創新和進展，也看到了它面臨的一些瓶頸和問題，同時還看到了人機交互相關的更多創新技術。

回到觸摸感知技術的話題，目前的技術趨勢是讓觸摸板和觸摸屏變得更柔性、形狀更豐富、面積更大、使用更便捷、成本更低。最近，美國卡耐基梅隆大學的科研人員在這方面，又進行了創新探索，讓觸摸感知技術能夠應用到具有更大表面積，甚至形狀不規則的物體表面。

這項技術稱為「Electrick」，非常簡單便捷。研究人員稱，只需要利用一罐噴漆，就可以將各種物體表面變成觸摸板。這些物體表面可以具有不同的形狀和尺寸。未來，這項創新技術有望將牆面、傢具、方向盤、玩具甚至果凍，都變成觸摸感測器。

技術

技術的核心就是在物體表面添加導電塗料和材料，或者直接使用導電材料製作物體，下面我們簡單介紹一下製造工藝和核心原理。

• 製造工藝

製造工藝其實很簡單。首先，研究人員在物體表面噴洒導電塗料。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

然後，再在物體表面的交互感知區域，添加一些電極，用於感知手指的位置。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

通過這樣的方法，計算機就可以感知手指在物體表面的不同位置點，同樣也可以持續追蹤手指移動的軌跡。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

「Electrick」技術用到的導電的觸摸表面，可以通過導電油漆、大塊塑料或者具有碳元素的薄膜等製作而成。所以，這項技術不僅適用於發燒友，同樣也可適用於工業製造方案，例如噴塗、真空成型、鑄造/成型、以及3D列印技術。

• 工作原理

和許多觸摸屏技術一樣，這項技術的原理也依賴於並聯效應。當手指觸摸物體表面時，一小部分電流會通過手指分流到地面。

研究人員會在物體的外圍或者導電塗料上，增加多個電極，並且測量鄰近一對電極之間的電壓。當手指觸摸物體導電錶面的時候，會分走一部分電流，引起局部電壓的降低。為了更好的定位觸摸位置，研究人員重複這一過程，測量多個電極之間的電壓變化。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

然後，他們又使用到了著名的「電場成像」技術，創建手指觸摸的二維圖像，以便於更好地顯示出觸摸位置。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

為了演示這項技術的效果，研究人員利用了 Velostat 導電薄膜，在面積是60厘米乘以60厘米的板上，通過16個電極進行觸摸感知實驗，演示感知手指的位置和運動軌跡。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

價值

相對於其它觸控設備，Electrick 技術還是比較精準的，它能夠檢測到手指觸摸位置的精度達1厘米。研究人員將材料分成了三類：固態材料、噴漆、柔性材料，分別演示了一些應用。

• 固態材料

首先，要介紹的是一種添加碳元素的固態材料「Velostat 」。它是一種薄膜材料，通常用於包裝電子元器件，它可以用於粘貼在平面上，製作成觸摸板。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

當然，這種材料還可以製作成各種各樣三維形狀，例如智能手機套。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

這種手機套是具有觸摸感知功能的，它可以檢測到用戶握手機的方式不同，和手機應用程序進行交互，例如打開攝像頭程序，或者打開短消息信用程序的鍵盤。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

這種材料還可以用於遊戲手柄的表面，玩家可以根據自己的喜好，以及不同的遊戲，改變按鈕和滑塊的位置和組合。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

除了「Velostat 」材料，研究人員還使用了另外一種材料：添加碳元素的ABS材料，它比較適合注塑成型和3D列印。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

利用3D印表機和這種材料，很容易就可以列印出一種類似手機支架的產品。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

但是，這種手機支架和一般的手機支架不同，你可以通過手指觸摸它，控制遊戲。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

• 噴漆

除了利用固態材料製作出可進行觸摸交互的物體，當然還可以通過液態材料噴漆的方法。演示中，研究人員使用了具有碳元素的導電油漆，這種油漆一般用於電子產品。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

這種導電油漆，可以很方便地塗在各種物體的表面，不管是平面的還是不規則的。例如，研究人員將油漆塗到了一個電子吉他的表面。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

演奏時，他可以通過觸摸吉他的不同部分，與電腦程序之間的進行交互。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

另外，研究人員還將導電油漆噴塗到了汽車方向盤的表面。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

當用戶的手和方向盤之間的進行觸摸交互時，通過應用程序就能感知出單手還是雙手觸碰方向盤，以及手和方向盤交互的各種方式。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

另外，導電油漆還可以噴塗到具有巨大表面積的物體，例如桌子。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

然後，科技人員通過在桌面上添加一些貼紙，來拓展手指對於電腦程序的控制。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

另外，這種油漆還可以塗到乾的牆面上。然後，用戶可以通過手指觸摸牆面，開關和控制燈的亮度。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

• 柔性材料

這些材料通常是比較柔軟，且具有韌性的，比較適合於製造柔性產品。

在演示中，科研人員使用了傳統的硅膠，添加碳纖維製作成了一個類似外星人的觸控物體，當用戶用手指觸摸它時，就可以和電腦應用程序進行交互。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

同樣，研究人員製作了一個果凍樣的、柔軟的大腦模型，並且通過手指觸摸它，與電腦應用程序交互。其實，這個案例很適合用於教學演示。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

最後，研究人員還設計了一個雪人般的小玩具。同樣，通過觸摸這個小玩具，也可以和電腦上的應用程序進行交互。例如，觸摸玩偶的不同部分，它就會發出的不同聲音，電腦應用程序也會顯示不同的句子。

（圖片來源於：卡耐基梅隆大學/Future Interfaces Group）

參考資料

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

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