主體感強化使用者體驗　非接觸式觸覺反饋技術看俏

什麼是主體感？簡單地說就是伴隨個人的行為產生了某種明顯效果的感覺。更廣泛地說，它是一種能控制自身周圍環境的感覺，或至少對它產生明顯的影響。 

主體感通常存在於自然界。讀者也許正在手機或平板裝置上閱讀這篇文章，或者用滑鼠滾動，或者在閱讀紙本。但無論如何自己的手一直在抓住某個物體，例如手機、滑鼠或雜誌。此時自己的手感覺到這物體的存在，直覺地感受到它的重量和質感，並且可以輕鬆地移動它。把這種熟悉的感覺與摸索著在電子遊戲中拿起一個物體相比較，就算用上最好的虛擬實境(VR)耳機，在虛擬世界中的主體感也會弱很多，這是因為物件看起來並不真實，沒有任何存在感或紋理。虛擬物體甚至比真實的空氣更虛無飄渺。 

隨著技術變得越來越複雜，並且從物理介面發展到虛擬介面，主體感變得越來越弱。這時，才會意識到它是多麼重要。例如，在接近自動門時門卻意外地不能自動打開；當按下電梯按鈕或電話、電腦的電源開關，卻沮喪地發現沒有立即回應，所以不得不更用力或者一再地按它。 

人類在物理對象的自然世界中不斷演化，個人的思想和感官透過這些不斷進化來微調，以便適應環境。這是虛擬世界中存在眾多嚴重問題的根本來源，其中包括從完整的VR設置到桌面和行動使用者介面等所有內容。這些虛擬環境和使用者介面表面上模仿了自然世界的外觀，但卻不能提供人類大腦在數百萬年裡已經進化與適應的全面感官反饋和反應，其結果是不直觀的使用者介面和不滿意的使用者。 

當然，任何使用者都不會向供應商抱怨「你的產品缺乏主體感」，他們只會感到沮喪，說產品很混亂，很難使用，或者可能抱怨說產品很慢，且不能可靠地對他們的指令做出反應。然後，他們會在網上給出一星級差評，甚至把產品退貨，原因是它們按了一個沒有反應的按鈕，並且由於用力過大，按鈕壞了。 

提供良好使用體驗  主體感是關鍵 

多年的科學研究和測試都證明，提供良好使用者體驗的主體感是至關重要的。 

Ben Shneiderman開創了人機互動的基本準則，他在上世紀80年代馬里蘭大學出版的極具影響力的「介面設計的八項黃金規則」中寫道，使用者強烈希望一種感受，就是他們能夠控制系統，而系統對每個操作指令都做出快速反應，對於每個使用者指令，系統都應該有一些系統反饋。 

在某些情況下，只要能夠提供更強的主體感，甚至足可以使使用者忽略使用者介面的其他問題，這是因為能夠提供強烈主體感的行為也更令人滿意。例如，研究表明當感到能夠控制時，就不會太意識到反應的延遲。 

研究人員在尋求量化主體感的方法時發現了以下的現象。2002年，研究員Patrick Haggard等人發現，當人感覺到在控制著自己的動作時，對時間的感受似乎是加快了。在感受時間方面的變化可能非常明顯：在某些情況下，可能使總時間增加或減少30%至50%。對於使用者而言，在他們的主體感變得更強時，實際上時間似乎被壓縮。 

這項研究被正式歸納為有意向的綁定效應(Intentional Binding Effect)，這是一種對個人感受到的有意向動作與其結果之間相關性的強度量化衡量。有意向的綁定力是基於兩個組成部分：動作綁定和結果綁定，每一個因素都衡量人類內部的時間感受與客觀現實之間的不同。「綁定」一詞的專業科學用法可能看起來有些混亂，它以微秒(μs)計算，指的是個人對一個事件的感受與現實的匹配程度。 

動作綁定是人動作時感受到的時間差異，結果綁定則是對該動作結果的類似度量。例如，當實施按下按鈕的動作時，通常認為這個動作發生在客觀測量顯示的10~30毫秒(ms)之後，這種時間差異被稱為動作綁定(圖1)。 

圖1 動作綁定是人動作時感受到的時間差異

對於設計師和工程師來說，從這個現象中能夠學到一個有用和實際的經驗是，人們會傾向於認為任何使他們感覺到能夠控制的使用者介面比那些主體感不太明顯的要好很多。事實上，大多數使用者只會覺得產品本身更好，反應更快。 

許多設計師已經熟悉了這樣一個概念，即使用者如果花10秒鐘的時間等待每個程式去做某事，會覺得很無聊和不耐煩，但如果同樣花費相同的10秒鐘去點按一些按鈕來實現相同的結果，則幾乎不會注意到時間的流逝，這個悖論顯然是與使用者的主體感和研究人員發現的時間壓縮效應有關。 

為實現更快速反應和具有更強主體感的介面，可以嘗試盡可能地透過傳統手段加快產品介面，但這將需要速度更快、更強大的硬體和精心設計的軟體。但是，如果能夠透過加強使用者的主體感，簡單地減少動作和結果之間感受到的間隔，也可以達到同樣的好處。 

觸感當感官輸入通道  強化主體感提升滿意度 

基於這些在意圖繫結和時間感知方面的早期工作，最近的研究顯示，人類的主體感是變得更強或更弱，主要取決於自身採用哪一個感官來實施動作。例如，研究人員發現，與採用人體觸覺輸入相比，使用者在使用語音介面時有比較弱的主體感。輸入只是互動的一面，介面提供的反饋也可以改變刻意而為的繫結現象。 

最近的一項研究表明，與視覺反饋相比，當提供的是觸覺反饋時，感覺到的動作結果時間間隔更短。重要的是，研究結果表明，觸覺反饋能夠比視覺反饋提供更強的主體感(圖2)。因此，這為設計師和開發者實現更強的主體感提供了一個利用觸感的機會。 

圖2 觸覺反饋能夠比視覺反饋提供更強的主體感

也許這一點並不足為奇，觸感是最原始的感官之一，也是最先進化的感官之一。皮膚是迄今為止人體最大的感覺器官，平均每人的皮膚表面積近2平方公尺，大約是一個雙人床的面積，並且包含大約五百萬個專門的觸敏感受器，這些感受器在最需要它們的某些區域中排列更密集。例如每個指尖中約有三千個觸覺感受器。 

Sussex大學研究人員Patricia Ivette Cornelio Martinez和她的同事在2017年的一篇題為「空中介面大學」(University of Mid-Air Interfaces)的論文中寫道：「我們發現，與視覺效果相比，當輸入動作伴隨著觸覺或聽覺結果時，基於手勢的系統表現出明顯更高的有意綁定。我們的工作還表明，在基於手勢的無接觸互動中，音訊和觸覺反饋是提高使用者控制感和感受到在與一個更敏感系統互動的優秀技術選項。」本節中的圖表也來自該文。 

此外，研究表明，增加觸覺反饋可能為使用者提供更多訊息，但不會分散注意力。Martinez寫道：「眾所周知，音訊和觸覺反饋能夠釋放出視覺感官，以便專注於其他的任務。這種相互作用非常適合於駕駛場景。」 

早期的研究人員迅速注意到，僅僅增加觸覺或力量反饋就可以對使用者的主體感覺產生顯著的影響。這種變化讓模擬的環境似乎更加真實，使得使用者感到他們是這些環境的一部分。斯坦福大學的Mark Cutkosky博士告訴紐約時報：「當你向使用者提供反饋時，會發生一個有趣的事情。突然間，我並不是戴著手套在這裡操作，而是正在用手控制那個機器人。突然間感覺像是手在機器人那裡，是我的延伸。」 

多個研究項目已經表明，透過將觸感作為一種附加的感官輸入通道來創建更強的主體感，能夠讓使用者介面更易於使用並減少錯誤發生。當觸覺技術僅僅是原始的蜂鳴器型設備時，隨著觸覺分辨率的提高，其性能也會改進。在透過採用簡單的觸覺元件增強觸摸螢幕鍵盤接口的測試中，格拉斯哥(Glasgow)大學的研究人員在2009年寫道：「在觸摸螢幕上增加觸覺反饋，顯著改善了基於手指的文字輸入，使其更接近真實物理鍵盤的性能。第二個實驗表明，更高規格的觸覺執行器也可以進一步提高性能。」 

事實上，現實世界產品的實際經驗指出，觸覺反饋可以提供許多好處，這些包括：加強主體感和現實感，允許在沒有真實物理接觸的情況下進行更快更準確的控制，或者透過物理接觸提供有限但非常有用的感官輸入(如平滑觸摸屏)，並可以在其他感官反饋受到限制、減弱或者模糊(例如在嘈雜環境、視野模糊或使用者注意力集中在其他地方的情況)時加強對使用者的反饋。 

觸覺反饋應用廣  市場需求多樣發展 

對於今天的大多數人來說，第一個人工觸覺反饋的體驗是手機和平板裝置。每個手機上都內置了無處不在的微型振動馬達，透過簡單地以不同速度旋轉小型偏心重物，即可提供令人驚訝的各種感覺。基本的振動效果可用於提供通知、警示、確認和警告。即使採用這種低成本的組件，也可以透過以下事實來證明觸覺技術的一個關鍵獨特優勢：例如在嘈雜的火車上，使用者可以在這種環境下檢測到口袋中行動電話的通知，而沒注意到視覺或聽覺的通知訊號。 

遊戲控制器、虛擬現實和增強現實系統也包含類似的振動組件，更複雜的娛樂系統通常使用不只一種觸覺設備，以便提供更多種類的效果。在遊戲中，當玩家按下按鈕或攻擊敵方時，觸覺反饋可用於加強主體感，並透過模擬不愉快的電擊嗡嗡聲或是車輛撞到一個障礙物的顛簸來增加沉浸感。 

除了娛樂之外，VR和擴增實境(AR)在模擬和訓練方面顯然也有很多應用。添加觸感可以使模擬更加真實和更有效果，而縮短昂貴的培訓課程。事實上，如果能夠在聲音和視覺中添加一個附加的、直觀的觸覺感官通道將使其在專業應用中具有非常高的價值。 

包括模擬器訓練和操作飛行在內，航太產業擁有數十年的觸覺和類似技術的經驗與知識，這可能超過任何其他行業。在大型飛機上，用力反饋是關鍵飛行控制的標準功能。振桿失速警告是觸覺技術眾多優勢的一個很好例證。當危險的低速飛行讓飛機的飛行面不穩定並且容易停滯時，這種裝置透過搖動飛行控制可以模擬在較小和較老的飛機中發生的劇烈震動。振桿作為一個附加的感官輸入通道，一定會引起飛行員的注意，該功能還利用了飛行員已有的訓練和經驗，因為幾乎所有的飛行員都是在小飛機上學會飛行，所以飛行員可以本能地理解警告，並迅速做出反應，毋須再進行深度的培訓。 

醫學界也在培訓和現實世界中廣泛使用這些技術。診斷和手術過程在很大程度上取決於觸覺，尤其是現代微創手術和顯微外科手術。外科醫生對於人體重要區域的可視力可能非常有限，或根本看不到目標，所以經常會憑藉感覺來檢測問題，或找到正確的位置實施切口或植入醫療元件。從最簡單的注射到最複雜的腦或心臟手術，觸感都發揮了關鍵作用。借助觸覺反饋能夠實施更精確的手術，縮短手術所需的時間，增加成功的機會，並減少受影響的面積，以幫助患者更快康復。 

像外科手術一樣，工業設備的操作者通常也須要在視力非常有限的狹窄環境中工作，這種情況下，觸覺反饋可同樣也可以幫助他們更快更準確地工作，並且避免事故發生(圖3)。 

圖3 觸覺反饋可以幫助工業設備的操作者更快更準確地工作

身體接觸無可避免  觸覺技術仍有重大局限性 

上面列出的觸覺技術的廣泛應用，表面上看來好像觸覺設備已經無處不在，所有問題都已經得到解決，但是目前的觸覺技術實際上還存在嚴重的缺點，這些使得它價格昂貴，而且在許多情況下難以實施或者根本不可能實施。事實上，顯而易見的是，觸覺反饋遠不如視覺和音訊輸出更加常見，即使在觸覺可用的情況下，通常採用諸如簡單的振動馬達等組件的原始反饋。 

觸覺技術最明顯的問題是須要身體接觸。簡單來說，要覺察到觸摸感，顯然須要觸摸一些東西：一個遊戲控制器，或一個控制微型手術刀或工具位置的操縱桿等等。一般來說，現實世界的介面在形狀或紋理方面不會與虛擬對象緊密匹配。視訊遊戲控制器絕對不是一把槍或一個球，操縱桿也絕對不是手術刀或扳手。此外，觸覺設備也存在各種各樣的其他問題：它們可能體積龐大而且笨重，並且可能妨礙使用者觀看他們正試圖控制的顯示器或環境。 

接觸式觸覺問世  構想令人耳目一新 

如果想模擬一個實體物件的感覺，就需要一個真正的實體物件，這個嚴重的問題似乎是難以逾越。但事實上，這種技術已經存在，可以在最大約1公尺的範圍內提供看不到的、非接觸式觸覺反饋。 

除了遠距離工作，該技術可以產生比目前使用的振動馬達更廣泛的效果。採用這種技術，可以創造出移動物體的感覺，如手指抓住的球、虛擬的按鈕或撥盤、流動的水、強烈的陣風、氣泡碰到皮膚時的破裂等等，甚至可以模擬具有各種紋理的材料。 

這種由英國Ultrahaptics的科學家和工程師開發的非接觸式觸覺反饋技術，目前已經可以提供開發套件。美國電氣與電子工程師協會雜誌IEEE Spectrum的一位作者對該公司技術的描述是「神奇」。另一位IEEE作者是這樣描述了他的體驗：「我把手推開，掌心向下……我在現實世界中的手打破了一串虛擬的氣泡，我感覺到它們輕輕地碰到我的手掌。哇！……這種技術允許使用者感覺到明顯的紋理，而不僅僅是某件東西虛擬地放在那裡的一般感覺。」 

開發套件結合演算法  打造非接觸式觸覺 

Ultrahaptics的解決方案是基於複雜的軟體和數學處理，並結合大多數為簡單、低成本的硬體：由數十個超音波變換器組成的陣列，布置在平面、正方形或矩形網格中。變換器固定不動，每個都可以發出聽不見的超音波訊號。 

透過改變每個變換器的輸出，可以在空氣中超音波相交的點處產生一種物理力的感覺。這些波相互干涉，正是在這些幾毫米寬點上，能夠產生一個更強大、更低頻率的訊號，如同實體物件那樣可以刺激皮膚的觸覺機械感受器。 

複雜的專有訊號處理算法可以透過快速調整每個變換器的輸出，來移動和精確定位這些產生虛擬力的區域，甚至創建紋理表面的感覺。開發廠商把這些聲輻射力的產生點叫做「控制點」。一個基於安謀國際(ARM)的中央處理器(CPU)和一個現場可編程閘陣列(FPGA)等構成的各種處理硬體可用來運行系統並即時執行複雜的頻率計算。開發套件透過通用序列匯流排(USB)連接到個人電腦主機。 

在當前的開發套件中，一個簡單、低成本的Leap Motion、基於紅外鏡頭的感應器可以追蹤使用者手的三維(3D)位置。該運動感應器能夠使超聲陣列把作用力穩​​定地集中在皮膚表面，因此使用者實際上可以拾起並移動虛擬對象。感應器還可以將手勢識別作為一個控制或使用者介面系統的一部分(圖4)。另外，多功能技術平台則允許開發人員使用其他硬體和軟體，例如可以用另一個3D運動感應器替換Leap Motion設備，並使用使用者可編輯的XML文件校準其輸出。 

圖4 非接觸式觸覺反饋技術

非接觸式應用  搶進車輛/醫療/廚房市場 

現在，可以隱蔽地在遠處透過觸覺反饋在自由空間形成觸覺，而無需任何物理連接，一個全新的應用時代即將開啟，未來還有更多尚未被想像到的應用有待開發。 

全球最大的汽車零組件供應商德國博世(Bosch)已經展示了一款汽車，其中包括一個具有虛擬空中控制的娛樂系統，它易於感覺和調整，而沒有在駕駛過程中視線離開道路的危險，非接觸式觸覺反饋技術使這些成為可能。捷豹荒原路華(Jaguar Land Rover)、漢馬(Harman)等公司都正在針對汽車開發類似的非接觸式觸控娛樂和控制系統。除了能夠改進安全性以外，隱形的基於超音波技術的另一個潛在優勢在於它不受噪聲或車輛移動所干擾，這與依賴於音訊或物理傳播觸覺反饋技術的現有設備有很大不同。 

透過非接觸式虛擬觸控來振興產品，可以讓這些公司有機會在激烈的市場競爭中脫穎而出。對於製造商和設計師來說，先不用去考慮這項技術的其他優勢，僅僅其新穎性價值本身就可以成為大賣點(圖5)。 

圖5 使用非接觸式虛擬觸控功能

這項技術在AR中具有巨大的應用潛力，因為傳統的身體觸覺反饋設備往往會遮蓋使用者的視線，但這對超聲波並不是一個問題。耐吉(Nike)和戴爾(Dell)正在與Ultrahaptics就增強現實設計系統進行合作，該系統能夠使設計人員看到、感覺到和精確地操縱任何虛擬物件，從而為虛擬設計帶來觸感。 

其他原型則展示了此項技術如何被用作家用電器的控制系統。例如，在一個非接觸廚房中，烹飪熱量由虛擬的空中控制系統控制，可以很容易地感受和操縱。這項技術最終可用於在熱區周圍建立一個警告力場，以幫助防止兒童和大人偶然觸碰熱區。 

新的觸覺技術有望去創建一些新的應用，而如果沒有這種技術，這些應用則難以或根本不能實現。Patricia Ivette Cornelio Martinez和她的同事在2017年的一篇題為「空中介面代理」(Agency in Mid-air Interfaces)的論文中寫道：「在音訊無法播放的情況下，空中觸覺反饋代表了一種良好的私密通訊手段，它能夠讓使用者仍然體驗主體感。例如，在醫院病房，醫生可以輕鬆地調整醫療設備的設置，不會有任何可聽見的反饋，從而不會打擾睡眠中的患者。在一個昏暗的電影院裡，即使手機螢幕關閉，沒有聲音，使用者也可以與之互動。」 

廚房和醫院的應用則暗示了該技術的另一個好處：透過避免接觸，使用者可以避免傳播污垢和細菌。多倫多大學(University of Toronto)2014年進行的一項衛生研究顯示，近三分之二的醫院電梯按鈕被細菌感染，實際上它們比廁所更髒。 

這項研究並沒有調查是否因為病人得到不明顯的反饋而降低了主體感，從而不斷重複地按壓按鈕而使之變得更髒。但無論如何，無接觸的觸覺介面可以保持醫院、其他工作環境、公共交通工具甚至家庭中的按鈕、控制面板、螢幕更清潔、更安全，降低了清潔成本，也避免了感染的傳播。 

非接觸式觸覺有賣點  擴展觸覺技術應用範疇 

非接觸式觸覺技術大大加強主體感，增強了觸覺技術的現有應用，提高了使用者滿意度和安全性，也使全新的應用和產品開發成為可能。在充滿了一般性商業產品且競爭激烈的消費電子市場，企業可以採用隱形的非接觸式觸覺反饋等令人興奮的新技術，以便使他們的產品能夠脫穎而出。