作者：Jeff Smoot 是 Same Sky 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

觸覺 (haptic) 一詞源于希臘語，意思是“抓住”或“感知”，在工程學(xué)中指利用觸覺的技術(shù)。在電子系統(tǒng)中，觸覺通常用來描述集成到設(shè)備中的力或觸覺反饋機(jī)制，以增強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)。

從工程學(xué)的角度來看，觸覺反饋通常通過機(jī)械致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。這些致動(dòng)器可產(chǎn)生受控振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)或力，具體包括偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊 (ERM) 電機(jī)、線性諧振致動(dòng)器 (LRA) 和壓電元件，可模擬現(xiàn)實(shí)世界中的物理感覺，如壓力、重量和表面紋理。通過結(jié)合觸覺模態(tài)，觸覺技術(shù)補(bǔ)充了視覺和聽覺線索，使數(shù)字界面更直觀、反應(yīng)更靈敏。這對于需要精確輸入驗(yàn)證或沉浸式用戶體驗(yàn)（包括虛擬物體操作）的應(yīng)用來說尤為重要。

對增強(qiáng)型交互需求的不斷增長，加速了觸覺技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。從消費(fèi)電子產(chǎn)品中的游戲控制器和觸摸屏，到汽車儀表盤中的反饋控制器和醫(yī)療保健領(lǐng)域的手術(shù)仿真，觸覺技術(shù)正成為用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)功能的關(guān)鍵組成部分。本文將詳細(xì)介紹觸覺反饋，包括基礎(chǔ)技術(shù)和在觸覺技術(shù)中使用壓電元件的優(yōu)勢。

常見的觸覺致動(dòng)器技術(shù)

觸覺致動(dòng)器是一種機(jī)電傳感器，通過將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生振動(dòng)、位移或壓力等觸覺感受。這種致動(dòng)器是觸覺反饋系統(tǒng)的功能核心，可在用戶界面中實(shí)現(xiàn)精確的物理響應(yīng)。

有多種致動(dòng)技術(shù)可用于觸覺系統(tǒng)，每種技術(shù)都有其不同的工作原理和性能特點(diǎn)：

• 壓電致動(dòng)器 利用壓電元件，在外加電場的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形和振蕩，從而提供高頻率、小位移、低延遲的反饋信號(hào)。(請參閱 [Same Sky] [壓電元件] 系列）。
• 偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊 (ERM) 電機(jī) 由安裝在直流電機(jī)軸上的偏心質(zhì)量塊組成。驅(qū)動(dòng)時(shí)，不平衡負(fù)載的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生頻率通常較低振動(dòng)力。這種技術(shù)常見于移動(dòng)設(shè)備和低成本應(yīng)用。
• 電活性聚合物 (EAP) 致動(dòng)器 使用在電場作用下會(huì)膨脹或收縮的介電聚合物。這類材料可以產(chǎn)生平滑、靈活的運(yùn)動(dòng)曲線，但通常需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓。
• 線性諧振致動(dòng)器 (LRA) 的工作原理是利用交變電磁場沿單條軸線驅(qū)動(dòng)一個(gè)磁性塊。與 ERM 相比，將 LRA 調(diào)諧到共振頻率后可提供更高效、響應(yīng)時(shí)間更快的定向反饋。
• 音圈致動(dòng)器 (VCA) 利用洛倫茲力原理，即懸浮在磁場中的線圈在電流作用下會(huì)進(jìn)行線性移動(dòng)。VCA 在寬帶下工作，可對振幅和頻率進(jìn)行精確控制。

每種致動(dòng)器類型都需要在頻率響應(yīng)、功率效率、集成復(fù)雜度和反饋保真度方面進(jìn)行權(quán)衡。具體選擇取決于目標(biāo)應(yīng)用——無論是可穿戴設(shè)備中的微妙觸覺提示、AR/VR 界面中的沉浸式觸覺，還是汽車觸摸屏中的強(qiáng)烈反饋。

觸覺反饋中壓電元件的基礎(chǔ)知識(shí)

壓電效應(yīng)是指某些材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷。重要的是，這種現(xiàn)象是可逆的：當(dāng)對這些材料施加電場時(shí)，會(huì)發(fā)生可測量的機(jī)械變形。這種可逆特性是觸覺反饋系統(tǒng)中所用壓電致動(dòng)器的基本工作原理。

在觸覺應(yīng)用中，壓電元件主要由反向效應(yīng)驅(qū)動(dòng)，以便根據(jù)輸入電壓產(chǎn)生微尺度位移或振動(dòng)。由于具有雙向性，這些元件還可配置為力或壓力傳感器，從而將雙重功能集成到觸敏界面或閉環(huán)系統(tǒng)中。

壓電彎曲器是一種常見的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)極化相反的壓電層粘合而成。當(dāng)施加電壓時(shí)，其中的一層會(huì)膨脹，而另一層會(huì)收縮，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎曲。這種撓曲位移非常適合需要高精度和局部移動(dòng)的應(yīng)用。

相比之下，多層壓電元件將許多薄壓電層并聯(lián)堆疊在一起，在降低工作電壓的同時(shí)顯著提高了機(jī)械輸出功率。在需要較大力或位移的情況下，例如在具有較大觸覺表面或電壓幅度有限的低功耗嵌入式系統(tǒng)中，這些結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。

壓電元件的偏轉(zhuǎn)幅度與輸入信號(hào)成正比，從而實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)振動(dòng)曲線的高分辨率控制。與許多其他類型的致動(dòng)器不同，壓電元件可獨(dú)立對位置和振幅進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，因此非常適合對信號(hào)細(xì)微差別或編碼反饋要求極高的應(yīng)用。

圖 1：壓電元件的“彎曲”。（圖片來源：Same Sky）

壓電元件在觸覺設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

觸覺反饋系統(tǒng)中使用的壓電元件利用反壓電效應(yīng)產(chǎn)生快速、高力機(jī)械位移。壓電元件固有的材料特性使其響應(yīng)時(shí)間通常低于 1 毫秒，從而以最小的延遲實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觸覺反饋，這在要求高精度和用戶瞬時(shí)響應(yīng)的應(yīng)用中至關(guān)重要。

與質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器（如 ERM 或 LRA）不同，壓電裝置不依賴于懸掛元件的慣性或共振。因此，壓電器件的功耗更低，穩(wěn)定時(shí)間更快。這些特性使壓電器件特別適合集成到能效和外形尺寸均受到嚴(yán)格限制的電池供電型或便攜式系統(tǒng)中。

壓電元件纖細(xì)、扁平的幾何形狀有利于實(shí)現(xiàn)緊湊的機(jī)械集成。因此，工程師可以在單一設(shè)計(jì)中嵌入多個(gè)壓電致動(dòng)器，從而放大觸覺凈輸出或在用戶界面上實(shí)現(xiàn)空間分布解析的觸覺信號(hào)。在觸摸板、可穿戴設(shè)備和電容式觸摸屏等應(yīng)用中，這些配置可用于模擬運(yùn)動(dòng)、方向提示或壓力梯度。

壓電致動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率、幅度和波形方面具有很高的可配置性，支持各種反饋質(zhì)地和效果。此外，該技術(shù)還提供多種機(jī)械和電氣形式，包括定制直徑、厚度、額定電壓和安裝方式，可為汽車、醫(yī)療、工業(yè)和消費(fèi)電子市場提供量身定制的解決方案。

壓電元件的設(shè)計(jì)考慮因素

設(shè)計(jì)基于壓電技術(shù)的觸覺反饋系統(tǒng)需要仔細(xì)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：

• 驅(qū)動(dòng)塊： 使推桿力與慣性負(fù)載相匹配，以確保有效的振動(dòng)傳遞。
• 元件類型： 根據(jù)電壓、位移和尺寸限制，選擇單層或多層元件。
• 機(jī)械包絡(luò)面： 確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在可用空間內(nèi)。
• 致動(dòng)軸： 確定運(yùn)動(dòng)方向，以選擇合適的元件集合形狀。
• 電源和驅(qū)動(dòng)器： 將系統(tǒng)電源與壓電器件的電容負(fù)載相匹配，并選擇兼容型驅(qū)動(dòng)器以實(shí)現(xiàn)高效激勵(lì)。
• 頻率要求： 確定元件的[諧振頻率] )或所需帶寬，以獲得最佳觸覺反饋。
• 熱條件： 確認(rèn)壓電元件的工作溫度范圍滿足系統(tǒng)的環(huán)境條件。

結(jié)束語

將有效且用戶體驗(yàn)友好的觸覺反饋集成到產(chǎn)品中，需審慎評(píng)估致動(dòng)器的性能參數(shù)，包括振動(dòng)強(qiáng)度、響應(yīng)靈敏度、位置精度、封裝及能效。壓電元件非常適合這些要求，可在各種條件下提供精確的低功耗操作。Same Sky 的壓電元件產(chǎn)品組合支持各種尺寸和配置，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中觸覺反饋和振動(dòng)傳感的多用途解決方案。