通过非接触式振动分析可视化触觉
智能手机已经证明，在不牺牲舒适性的前提下，可以取代实体按键。支持手势控制且可自由配置的显示屏，使得在应用程序之间切换变得更加轻松。 Hap2U正推动这场人机交互革命向前发展。其创新技术为触控界面增添了高保真触觉反馈，不仅突破了现有局限，还提升了消费电子产品的用户体验。触觉反馈触摸屏通过提供触控操作，使驾驶员能够将视线始终聚焦于道路，从而提升了车辆安全性。Polytec 激光振动计是开发高端触觉技术的关键技术。
在接下来的访谈中，法国触觉反馈创新领军企业Hap2U的声学总监马蒂厄·鲁潘（Matthieu Rupin）阐述了他对驾驶员与车辆交互未来的展望。他明确指出，借助合适的技术，振动可以用来创造虚拟纹理，这些纹理甚至能适应手指在表面滑动时的速度。而且这一过程完全无声，且不仅限于显示屏。
该技术的核心在于超声波场，它能针对性地、局部地影响手指与表面之间的摩擦系数。人们能感知熟悉的表面，并立即找到操作方向。对材料中传播参数的映射对于超声换能器的尺寸设计和模型校准至关重要。
为此，Hap2U成功采用了Polytec 的3D扫描振动计。其应用范围涵盖从基础研发、产品工业化到疲劳和寿命测试等各个方面。
贵公司的触觉技术可以应用于哪些领域？
触觉反馈是指用户在与触控界面交互时，指尖会感受到机械刺激，这种技术在任何涉及人与机器交互的场景中都十分有用。自智能手机问世以来，屏幕已逐渐取代了大多数采用机械按键的界面。这一现象可归因于多种因素，包括通过基础编程简化界面区分，以及通过消除旋钮、滑动按钮等机械和活动部件来实现更坚固耐用的设计。
然而，这一普遍趋势导致所有此类界面中的触觉反馈消失——此前，机械按钮通常因其实体特性而能提供感官反馈。 因此，可编程触觉反馈技术的开发对于各种应用场景都极具实用价值。在汽车行业，出于设计和创新目的，驾驶员屏幕界面正变得越来越大。然而，这一趋势引发了安全问题；驾驶员必须全神贯注于道路，避免被视觉界面分散注意力。触觉屏幕通过在车辆与用户之间建立触觉沟通，解决了这一问题。
因此，这种交互方式意味着驾驶员无需将视线从道路上移开。对于家用产品（如家用电器），触觉反馈技术提供了与机械按钮相当的人体工学体验。就智能手机而言，这意味着未来所有新功能都将带来更高层次的沉浸感。试想一下，我们能在网站、游戏或社交媒体上的各种交互中添加触感效果。甚至可以在屏幕关闭的状态下设置按键控制。
这与现有技术或贵公司的竞争对手相比有何不同？
Hap2U技术代表了触觉反馈的未来。我们对手机的振动都已非常熟悉。这种无需用户与界面交互即可传递信息的触觉反馈，被称为“被动触觉”，它存在两大根本局限：一是伴随噪音，二是属于“全面事件”——即整个界面都会随之振动。
Hap2U技术将这一理念进一步深化，使其直接作用于用户指尖，从而使触觉反馈达到更高的精细度。特别是，它还能根据手指的位置和速度，模拟出不同的质感。
因此，在完全数字化的环境中，各类按钮或滑块均可重新具备触控敏感性。该技术使我们能够将数字界面的灵活性与全新层次的触觉敏感性相结合，使人机交互既更加直观，又更加精准。
该技术的静音特性也是一大优势，因为它不仅能让用户专注于触觉感知，还能极大丰富用户体验，同时确保以触觉形式传输的信息的机密性。
最后，这远不止于屏幕。Hap2U 技术同样适用于由塑料、木材、玻璃甚至金属制成的触觉表面。而且我们最近还开发了具有可编程触觉反馈功能的三维物体，您可以定位并将其握在手中。
这些设计旨在取代易受过早磨损影响的实体按钮中的活动机械部件。
1：在 玻璃上安装 压电致动器。这块厚度为1毫米的玻璃板在压电换能器的激励下开始振动。这些振动的振幅不超过2微米。
2：触摸 玻璃。它可定位屏幕上手指的位置。通过测量手指的连续位置，可计算出其速度和方向。
3：显示屏 （LCD 或 OLED）。与传统手机或平板电脑一样，屏幕显示内容会根据手指在触控界面上的操作实时更新。
4：hDriverTM。该电子电路板控制压电致动器，从而根据手指在玻璃板上的移动情况产生相应的振动。
贵公司的触觉显示器的一般工作原理是什么？触觉感受究竟是如何产生的？
Hap2U技术在与皮肤接触的表面产生超声波场。通过压电换能器发射的超声波以每秒数千次的频率振动，从而对指尖与屏幕之间夹持的微小空气体积施加压力。这会产生一种声学悬浮力，与指尖施加的压力相互作用。接触面积因此减小，从而降低了摩擦系数。
因此，超声波振动是一种影响摩擦系数的手段。通过实时控制这种振动，可以模拟出类似于探索真实表面时所遇到的摩擦变化。在该设备中，压电换能器发挥着关键作用，因为它们具有反应灵敏、兼具执行器和传感器功能以及成本低廉等优势。我们工程师面临的挑战在于正确设计这些元件，使其无论在何种使用条件下都能实现对振动的完美控制。
市场对哪些设计有需求？非接触式振动测试又在其中发挥什么作用？
在该技术投入量产之前，关键的一步是确保客户的产品符合我们的技术限制。我们会基于客户现有的或即将推出的产品制作原型，并在其中集成我们的“触觉层”。 此阶段的重点是对客户样品进行特性分析，从中提取宽频范围内的振动传播参数。使用PSVPolytec Scanning Vibrometer 进行的3D振动测绘可在极短时间内完成，并成为我们最终触觉接口设计流程的基础。在完成数字设计步骤后，通过该方法获得的3D振动特性数据使我们能够在必要时对仿真结果进行控制和优化。
概念验证完成后，将进入产业化阶段。该阶段的重点是使我们的技术符合特定的市场要求。在此阶段，我们同样采用3D扫描振动测量技术，在疲劳或耐久性测试前后为设备开发提供支持。得益于测量速度的提升，我们可以连续对大量样品进行特性分析。
最后，我们正在开展大量研发工作，以确保我们的技术领先地位。
在此背景下，3D扫描振动计是建立触觉感知与表面振动之间联系的不可或缺的工具。
在这方面，能够获取平面内振动分量具有不可估量的价值。事实上，我们试图使其振动的皮肤组织对不同类型的波确实会产生截然不同的反应。因此，3D扫描振动计是利用最微弱的振动来最大化触觉效果的理想工具。此外，还可以对复杂的测量进行精细调整，以表征用户手指对特定超声刺激的振动响应。
高分辨率、非接触式振动测量结果能告诉我们什么？
在对触觉显示器进行特性分析时，我们会测量大量交错分布于可能呈曲面表面的点，这些点对专为该测量设计的振动源发出的脉冲激励所作出的响应。通过这种方式，我们获得了丰富的时空信息，借助先进的后处理算法，可以从中提取关键的传播参数。这些信息主要使我们能够精确设计执行器，从而优化设备的效能。但这些测量结果还开辟了新的研究视角。
借助三维振动数据，我们可以分别研究超声波场的x、y和z分量，从而开发出新的触觉功能。此外，三维扫描振动计已被证明对我们已申请新专利的一系列发明至关重要，这些发明目前正在接受验证。
与您之前的工作相比，您如何看待3D扫描振动测量技术？
在项目初期，我们就充分认识到激光多普勒振动测量非接触式特性的重要性，因此购置了一台一维光纤激光振动计。这使我们能够将平面外振动振幅与执行器的驱动参数建立关联。 随后，我们将激光振动计与控制XY平面位置的步进电机配合使用，从而能够绘制出平面外振动场分布图，进而精确表征波在不同表面上的传播情况。
对我们而言，重要的是，这款三维扫描振动计大大缩短了表征样品所需的时间。它还使我们能够测量曲面，而曲面在我们的应用中正变得越来越重要。此外，自此之后，我们能够更广泛地利用信息丰富的激光测量数据，这将使我们能够显著加快发展步伐。
马蒂厄，非常感谢您接受本次采访。
