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

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制，以增強人機互動。

從工程學(xué)的角度來看，觸覺反饋通常通過機械致動器來實現(xiàn)。這些致動器可產(chǎn)生受控振動、運動或力，具體包括偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊 (ERM) 電機、線性諧振致動器 (LRA) 和壓電元件，可模擬現(xiàn)實世界中的物理感覺，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證或沉浸式用戶體驗（包括虛擬物體操作）的應(yīng)用來說尤為重要。

對增強型交互需求的不斷增長，加速了觸覺技術(shù)在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。從消費電子產(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)正成為用戶體驗和系統(tǒng)功能的關(guān)鍵組成部分。本文將詳細介紹觸覺反饋，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。

常見的觸覺致動器技術(shù)

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

有多種致動技術(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：

• 壓電致動器 利用壓電元件，在外加電場的作用下產(chǎn)生機械變形和振蕩，從而提供高頻率、小位移、低延遲的反饋信號。(請參閱 [Same Sky] [壓電元件] 系列）。
• 偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊 (ERM) 電機 由安裝在直流電機軸上的偏心質(zhì)量塊組成。驅(qū)動時，不平衡負載的旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生頻率通常較低振動力。這種技術(shù)常見于移動設(shè)備和低成本應(yīng)用。
• 電活性聚合物 (EAP) 致動器 使用在電場作用下會膨脹或收縮的介電聚合物。這類材料可以產(chǎn)生平滑、靈活的運動曲線，但通常需要較高的驅(qū)動電壓。
• 線性諧振致動器 (LRA) 的工作原理是利用交變電磁場沿單條軸線驅(qū)動一個磁性塊。與 ERM 相比，將 LRA 調(diào)諧到共振頻率后可提供更高效、響應(yīng)時間更快的定向反饋。
• 音圈致動器 (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進行線性移動。VCA 在寬帶下工作，可對振幅和頻率進行精確控制。

每種致動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行權(quán)衡。具體選擇取決于目標應(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烈反饋。

觸覺反饋中壓電元件的基礎(chǔ)知識

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

在觸覺應(yīng)用中，壓電元件主要由反向效應(yīng)驅(qū)動，以便根據(jù)輸入電壓產(chǎn)生微尺度位移或振動。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器結(jié)構(gòu)，由兩個極化相反的壓電層粘合而成。當施加電壓時，其中的一層會膨脹，而另一層會收縮，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顯著提高了機械輸出功率。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)幅度與輸入信號成正比，從而實現(xiàn)對靜態(tài)定位和動態(tài)振動曲線的高分辨率控制。與許多其他類型的致動器不同，壓電元件可獨立對位置和振幅進行精細調(diào)節(jié)，因此非常適合對信號細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、高力機械位移。壓電元件固有的材料特性使其響應(yīng)時間通常低于 1 毫秒，從而以最小的延遲實現(xiàn)實時觸覺反饋，這在要求高精度和用戶瞬時響應(yīng)的應(yīng)用中至關(guān)重要。

與質(zhì)量塊驅(qū)動致動器（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格限制的電池供電型或便攜式系統(tǒng)中。

壓電元件纖細、扁平的幾何形狀有利于實現(xiàn)緊湊的機械集成。因此，工程師可以在單一設(shè)計中嵌入多個壓電致動器，從而放大觸覺凈輸出或在用戶界面上實現(xiàn)空間分布解析的觸覺信號。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動、方向提示或壓力梯度。

壓電致動器在驅(qū)動信號頻率、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)和消費電子市場提供量身定制的解決方案。

壓電元件的設(shè)計考慮因素

設(shè)計基于壓電技術(shù)的觸覺反饋系統(tǒng)需要仔細考慮以下幾個關(guān)鍵因素：

• 驅(qū)動塊： 使推桿力與慣性負載相匹配，以確保有效的振動傳遞。
• 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。
• 機械包絡(luò)面： 確保執(zhí)行機構(gòu)安裝在可用空間內(nèi)。
• 致動軸： 確定運動方向，以選擇合適的元件集合形狀。
• 電源和驅(qū)動器： 將系統(tǒng)電源與壓電器件的電容負載相匹配，并選擇兼容型驅(qū)動器以實現(xiàn)高效激勵。
• 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

將有效且用戶體驗友好的觸覺反饋集成到產(chǎn)品中，需審慎評估致動器的性能參數(shù)，包括振動強度、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)中觸覺反饋和振動傳感的多用途解決方案。