深度揭密 iPhone 6s 的「觸覺互動」技術:3D Touch

作者 | 發布日期 2015 年 09 月 12 日 0:00 | 分類 iPhone , 軟體、系統 , 零組件 follow us in feedly

最近,媒體報導蘋果新一代手機 iPhone 6s 中會採用 Force Touch 技術。其實,早在 Apple Watch 和 MacBook 系列筆電上就已經有所應用,不過這次的版本與之前不同。因為 MacBook 觸控板和 Apple Watch 可感應兩種不同水準的壓力,即輕點和按壓。而根據外媒爆料,新一代 iPhone 的「3D Touch Display」可以感應三種不同水準的壓力,有輕點、按壓和更強的按壓。



所以,「3D Touch」的命名很可能因此而來。

因為專業的緣故,我在新一代觸覺振動技術上耕耘多年,看到這個消息覺得很興奮,覺得觸覺互動的春天來了。帶著對「觸覺互動」、下一代「人機對話」的好奇,我在這裡來科普一下蘋果的新「外星科技」:3D Touch 技術,以及由此開啟的更廣闊方向-觸覺互動。

 

一、由 Force Touch 開啟的「觸覺互動」大門

Force Touch,即壓力觸覺,指透過感應壓力的產生和改變,從而實現電學資料的變化,再透過電學資料而產生指令,最後達到壓力而間接實現指令的過程。

雷鋒網配圖

壓力觸覺的研究探索,已經有很多年了。其中,美國 Z-origin 的 Z-Tohch 則是較早的觸控探索者,後來,微軟、黑莓都相繼提出觸控方面的專利和應用,但由於各類原因,其觸控給顧客感受,並不完美。

前不久,華為也在中國發表了其壓力觸控螢幕的手機 MATE S,其採用的技術方案暫未拆解清楚,但以其比上一款更薄的宣傳,其技術方案與蘋果有些許差異,但卻沒能引起產業的熱議,蘋果的影響力之大可想而知。

蘋果發表的壓力觸控,以蘋果慣有的風格而言,應該是比較成熟和完善的,所以才會發表在手機上。因此,蘋果的號召力,讓壓力觸控開啟了「觸覺互動」的大門。

目前的手機,對於觸覺回饋的應用,僅僅停留在振動和提醒上。但是,美國「IMMERSION」公司等振動和觸控行業的公司,已經布局了基於「觸覺互動」的大量技術儲備與專利,其中軟體系統和硬體均有中國科技公司的身影。

比如 TI 公司早前推出過基於高電壓的新一代振動馬達的驅動晶片;IMMERSION 公司布局了多項振動回饋專利,其網站也顯示推出新一代振動回饋方案;中國如衡業新材等,也在研發「新一代觸摸回饋」的核心硬體。

這次蘋果推出了「Force Touch」的技術應用,為更廣大的「人機觸覺互動」打開了大門,讓用戶邁進了新一代「觸覺互動」的時代。

 

二、3D Touch 的技術原理

壓力觸控的原理,其實很容易理解:

螢幕感應手指壓力——透過手指壓力的面積變化——從而產生不同的電學信號——壓力感測器件根據電信號進行處理——手機 CPU 接收壓力感測器訊號——手機 CPU 產生相應的指令——顧客感知由壓力產生的指令變化(比如螢幕變化、功能表)

下圖就是展示使用者如何透過按壓方式,獲得手機 / 平板回應的這一完整流程:

雷鋒網配圖

從上圖所示,觸覺回饋的技術原理,由觸摸產生的壓力、壓力的辨識、辨識後的回饋指令這三大部分組成,其中很重要的是觸覺感測器「Force Touch Sensors」,它是按壓觸摸的重要零件。

而手機構造的輕薄,也對觸摸感測器與 FPC 提出很高的要求,相對於平板和電腦來說必須非常輕薄。這次蘋果手機反而增加厚度,是因為「Force Touch」的關鍵零件所產生的厚度,也就是加入了 Force Touch 壓力模組。不過也有傳,蘋果在下一代手機上,會縮小這個厚度,那麼蘋果屆時會在哪裡做何改動?(編按:蘋果的作法是把相關的感應器整合進 in-cell 的面板中,官方釋出的影片就有部分說明)

 

三、3D Touch 的構造

1整體觸控構造:

雷鋒網配圖

根據目前對 iPhone 6s 的拆解,其採用的螢幕依然是 Incell 螢幕,供應商為 JDI 等日本公司,Incell 螢幕的觸控層在 COVER GLASS 之下,而且還要加上「Force Touch」的物理零件,因此,螢幕的構造必須非常精巧。

2、觸控層的特殊變革 材料變化

雖然依然是 Incell 螢幕,而其觸控層是否引入了最新的革命性材料,暫時尚未可知,但從網路上能看到:蘋果要求其日本供應商供應奈米銀螢幕,因此,行業看好的 SILVER NANO WIRE(奈米銀)是否已經應用與新一代蘋果中,暫未確認。

雷鋒網配圖

▲ SILVER NANO WIRE。

蘋果的專利顯示,蘋果將原有的觸控層,接近液晶的部分,將其中 ITO 的 VCOM 層切割成平行線,就是為了壓力觸控的實現。

3、壓力感測器部分

根據對蘋果 Mac 的公開拆解,Mac 上有四個壓力感測器,分別位於觸控的四方,而且還有一個由磁性材料組成的「回饋體系」。

雷鋒網配圖

▲ Mac 的觸控板拆解。

從以上拆解的 Mac 觸控板上看,Force Touch 早已應用在 Mac 上,由於 Mac 面積和厚度,都更適合進行壓力觸感層的處理,因此,蘋果手機的採用,也來自於在 Mac 上使用的工藝積累。

必須要看到的是,Mac 上有個專門的「回饋系統」──

由磁性材料組成的「回饋器」,它的作用是對用戶按壓時進行聲音或震動的回饋,讓用戶的體驗更有「真實感」。

雷鋒網配圖

▲ 網上流出的蘋果 iPhone 6s 的拆解:比 iPhone 6 略厚,因為內置了觸控感測器。

由於目前還沒有真實完整的 iPhone 6s 拆解,特別是針對其壓力觸控部分的逐件拆解,因此,如何精巧地將壓力觸控部分放置其中是一大難題。且根據媒體公布手機厚度增加,應該起觸控控制器件的作用,但目前尚無法做到非常輕薄,有其物理極限。

下一代的 iPhone 7,蘋果已經表示會更薄,而更薄是來自於觸控部分的變化,還是蘋果本身其他零件結構的變化,不得而知,只能等相關消息放出,我們再做深入分析。

 

四、「觸覺互動」才是 Force Touch 開啟的未來

1、觸覺互動的起源與雛形

壓力傳感技術,只是「觸覺回饋體系」的開局,下一代手機有望在觸覺回饋體系上,衍生出很多令消費者驚呼的應用。目前的 Force Touch 技術,只有指令和螢幕功能的變化,還沒有來自「手機對顧客的物理回饋」。

──這就是未來的「觸覺互動」。

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觸覺互動不僅包括手機軟體體系的回饋,也包括手機「硬體體系的回饋」。比如,當你觸摸螢幕上的仙人掌, 如果能感到一種刺手的感覺,這就是對「觸覺互動」的通俗詮釋。更通俗來說,就是模擬、真實的感覺。

幾年前,日本在觸覺振動零件的推動下,生產了幾款可以快速回應振動的手機和平板,但當時的這些產品和壓力觸控都沒有多大關係:

比如,日本 DOCOMO 生產一款「RAKURAKU」老人手機,其振動回饋可以讓老人在觸摸螢幕時有觸感,像在按壓鍵盤一樣的實物感,還曾風靡一時;日本松下也推出獨特振動回饋的平板;南韓 PANTECH(潘泰)也推出過精敏振動的平板等。

雷鋒網配圖

▲ 日本富士通的 RAKURAKU 老人手機。

但由於當時沒有提出由壓力傳導,再透過物理回饋而組成一個閉環回路,這些置入了觸覺振動零件的產品並沒有引起行業的熱議,但這已經算是「觸覺互動的雛形」。

2、觸覺互動的關鍵器件:物理回饋器件

觸覺互動體系,離不開一個關鍵零件:觸覺振動回饋零件, 它要求的回饋速度和精度,根本不是現有的偏轉振動馬達或直線振動馬達所能達到的。它需要全新的振動回饋零件,其中包括磁性材料、壓電陶瓷材料,而壓電陶瓷材料與 MEMS 工藝結合的器件,被認為是最佳的回饋零件。

而頗悲傷的是,目前壓電 MEMS 器件也在突破之中。現在存在的局限性有:體積只適合 PAD,離手機對體積的要求有距離、功耗問題,但目前由多層陶瓷帶來的功耗大大降低,有望解決這一問題。

從事關鍵硬體研發的有日本的科技企業,也有中國年輕的海歸科技企業的身影。比如有從事陶瓷振動材料與零件研發的的科研朋友常和我坦言:我們堅信這一趨勢,透過材料與結構技術,已經將電壓由 100V以上降到 36V,並在部分大尺寸的平板上進行試用,但應用於手機上面,還需要在體積等方面進行諸多改進。

雷鋒網配圖

▲ 中國企業衡業新材研發的「新一代陶瓷振動零件」原型。

 3 、「觸覺互動」的未來

蘋果引領的「觸覺互動」,有著廣闊的未來應用前景,它不僅讓顧客有真正的「人機對話」體驗感,更會產生更多更大的應用市場,比如物聯網的應用等,也將翻開手機應用的新一頁。

更重要的是,觸覺回饋也將帶來行業的一系列連鎖反應,將催生更多新材料、新工藝、新零件的革命,特別是新材料與 MEMS 工藝的結合,將在其中得到廣泛的應用。

(本文由 雷鋒網 授權轉載)

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