壓電觸覺(jué)反饋的崛起：沉浸式觸覺(jué)體驗(yàn)的組成和補(bǔ)充

觸覺(jué)反饋已經(jīng)印刻在我們生活的方方面面，尤其是在消費(fèi)類電子設(shè)備，譬如手表、手機(jī)和電腦上，對(duì)于觸覺(jué)反饋的追求向著多樣化、更高清、精細(xì)體驗(yàn)的方向上進(jìn)行發(fā)展。而在即將到來(lái)的元宇宙時(shí)代，除了AR和VR的技術(shù)發(fā)展外，迫近真實(shí)體感的觸覺(jué)反饋也是營(yíng)造沉浸體驗(yàn)的重要技術(shù)升級(jí)之一。

為了實(shí)現(xiàn)更為高清的觸控體驗(yàn)，LRA在某些方面逐漸出現(xiàn)瓶頸，而壓電致動(dòng)器則可以彌補(bǔ)這些不足，作為營(yíng)造觸覺(jué)反饋的關(guān)鍵補(bǔ)充、或是直接替代LRA作為主振動(dòng)反饋器存在。壓電致動(dòng)器需要通過(guò)高壓驅(qū)動(dòng)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的輸入精度，整體功耗控制等，有著不小的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而B(niǎo)oréas最新的壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，則可以解決這一難題。這一壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)被稱為CapDrive，將高清觸控、可編程、低功耗和小體積等多種優(yōu)勢(shì)帶入到壓電反饋方案中，從而將壓電致動(dòng)真正帶入到消費(fèi)電子設(shè)備的觸覺(jué)反饋應(yīng)用中。

高清觸覺(jué)反饋：“LRA” 持續(xù)演進(jìn)，“壓電致動(dòng)器”嶄露頭角

所謂觸覺(jué)反饋是指通過(guò)軟硬件結(jié)合的觸覺(jué)反饋機(jī)制，模擬人的真實(shí)觸覺(jué)體驗(yàn)。隨著技術(shù)發(fā)展，觸覺(jué)反饋也一直在不斷升級(jí)。

典型的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)如下圖所示，其中決定觸覺(jué)反饋效果的核心部分主要可以由感應(yīng)器、驅(qū)動(dòng)器、致動(dòng)器三類元器件組成。致動(dòng)器是產(chǎn)生振動(dòng)反饋的關(guān)鍵器件，不同的振動(dòng)方式的產(chǎn)，在觸覺(jué)反饋的強(qiáng)度、波形、響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)功耗、噪聲等方面有著不小的差異。從最初的ERM到LRA，再到現(xiàn)在的壓電致動(dòng)器（Piezo），整個(gè)觸覺(jué)反饋系統(tǒng)也在向著小型化、高清反饋的方向發(fā)展。

最初的觸覺(jué)技術(shù)主要依賴于ERM和LRA，僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單的震動(dòng)來(lái)給用戶進(jìn)行提醒；后來(lái)觸覺(jué)技術(shù)想和可編程的方向發(fā)展，通過(guò)更先進(jìn)的硬件和第三方SDK和效果庫(kù)，ERM和LRA可以提供更多不同效果，譬如在滑動(dòng)、滾動(dòng)時(shí)提供反饋；發(fā)展到現(xiàn)在，高清觸覺(jué)技術(shù)成為了主要趨勢(shì)，可以通過(guò)LRA和壓電致動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)零延遲的動(dòng)態(tài)效果、提供接近復(fù)雜真實(shí)觸覺(jué)的反饋體驗(yàn)。

ERM和LRA都可以看作是一種馬達(dá)，但其能量轉(zhuǎn)換的路線有所不同，因此功耗表現(xiàn)上也有非常大的差距，在振動(dòng)表現(xiàn)的調(diào)節(jié)上也有所不同。ERM是將電能轉(zhuǎn)換成電磁力，電磁力產(chǎn)能的馬達(dá)動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的偏心金屬塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力，最終產(chǎn)生馬達(dá)振動(dòng)。而LRA是直接將電能轉(zhuǎn)換成內(nèi)部懸浮磁塊的機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)效果。

ERM起振和停止的時(shí)間都比較長(zhǎng)，響應(yīng)慢；反之LRA則更快，最終體驗(yàn)上體現(xiàn)出來(lái)的就是反饋更”清脆“。

ERM的一次反饋時(shí)間需要100～200ms，在用戶連續(xù)點(diǎn)擊時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生延遲感，因此無(wú)法提供更豐富的振動(dòng)反饋層次，而蘋果手機(jī)內(nèi)部的LRA的反饋已經(jīng)可以達(dá)到10ms，因此在用戶的連續(xù)點(diǎn)擊反饋上，可以提供零延時(shí)的反饋體驗(yàn)。

從振動(dòng)效果上看，因?yàn)長(zhǎng)RA的振動(dòng)強(qiáng)度隨著頻率具有偏移特性，因此可以通過(guò)波頻+振幅來(lái)調(diào)節(jié)，而ERM是兩者耦合之后的產(chǎn)生的振動(dòng)效果，只能通過(guò)耦合輸入控制電壓來(lái)調(diào)節(jié)。

LRA的發(fā)展經(jīng)歷了一系列的變化：為了產(chǎn)生更為豐富的高清觸覺(jué)反饋，LRA從固頻向著寬頻的方向發(fā)展，傳統(tǒng)固頻LRA需要在很窄的范圍內(nèi)做觸覺(jué)輸出，但更多的人體觸感其實(shí)是落在更低的頻段內(nèi)。為了提高振動(dòng)量，還需要在偏頻處產(chǎn)生更高的激勵(lì)，從而為游戲等體驗(yàn)提供更豐富的反饋內(nèi)容。為了提高觸覺(jué)反饋的手感飽和度，F(xiàn)0也在向著更低的方向發(fā)展，從2014年的235Hz到現(xiàn)在iphne13上的130Hz左右。包括整個(gè)LRA的外型和內(nèi)部的懸浮結(jié)構(gòu)，也都經(jīng)歷了一系列的變化，從彈片到彈簧，從幣形轉(zhuǎn)子馬達(dá)，到Z軸線型馬達(dá)，到橫向的線性馬達(dá)，到現(xiàn)在更為精巧的物理結(jié)構(gòu)；在單純追求力感的強(qiáng)弱的方向上，轉(zhuǎn)為追求更舒適和貼近人體真實(shí)觸感的振感設(shè)計(jì)。

而壓電致動(dòng)器的工作原理則與振動(dòng)電機(jī)不同，是利用了逆壓電效應(yīng)。給致動(dòng)器施加電壓，致動(dòng)器產(chǎn)生形變；不同波形的電壓信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一系列的振動(dòng)反饋，工作原理上更接近音頻信號(hào)放大器。

壓電致動(dòng)器的快速啟動(dòng)時(shí)間可以做到更短，較高的帶寬也可以支持更豐富的觸覺(jué)效果。非常纖細(xì)的外型可以實(shí)現(xiàn)更靈活的安置方式，例如可以直接安裝在手機(jī)邊框上作為虛擬的按鍵反饋，或者在觸控筆中實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋。但同時(shí)因?yàn)槠渫庑托∏?，質(zhì)量不大，所以制動(dòng)力也相比LRA和ERM這種自帶質(zhì)量塊的致動(dòng)器產(chǎn)生的力小一些，所以在手機(jī)等設(shè)備中還沒(méi)有作為主要振動(dòng)反饋的致動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)大范圍替代LRA，但在手機(jī)上作為按鍵的專門觸覺(jué)反饋的致動(dòng)器是效果非常好的；像觸控筆這樣的非常緊湊的產(chǎn)品外型內(nèi)可以直接替代LRA產(chǎn)生更好的觸覺(jué)反饋效果。

業(yè)界非常看好壓電觸覺(jué)技術(shù)市場(chǎng)的發(fā)展前景。研究機(jī)構(gòu)SAR Insight指出，預(yù)計(jì)到2025年該市場(chǎng)價(jià)值將會(huì)超過(guò)10億美元。Boréas Technologies業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Sean Shen表示，“壓電觸覺(jué)技術(shù)將會(huì)在PC觸控板和觸覺(jué)觸控筆中取代線性馬達(dá)。而且，我們認(rèn)為壓電觸覺(jué)技術(shù)將會(huì)推動(dòng)新穎的觸覺(jué)應(yīng)用，例如手機(jī)中的局部觸覺(jué)或汽車內(nèi)飾中的顯示觸覺(jué)裝置，從而開(kāi)創(chuàng)自己的市場(chǎng)?！?

傳統(tǒng)的壓電觸覺(jué)反饋方案的功耗和尺寸并不理想，但現(xiàn)在基于TDK的壓電致動(dòng)器技術(shù)和Boréas致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)技術(shù)解決方案，正在掃除采用先進(jìn)的壓電觸覺(jué)技術(shù)的障礙，助力行業(yè)快速邁進(jìn)新一代用戶界面設(shè)計(jì)。在專利CapDrive架構(gòu)支持下，Boréas的壓電驅(qū)動(dòng)器相比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品節(jié)省了多達(dá)10倍的功率，最新方案中內(nèi)置力感應(yīng)功能，啟動(dòng)時(shí)間小于300 μs，而且是業(yè)內(nèi)最小的壓電驅(qū)動(dòng)方案。

例如在游戲手機(jī)中，通過(guò)集成的壓電觸覺(jué)反饋功能，玩家可以通過(guò)輸?設(shè)備?部感覺(jué)到賽?游戲中的陡峭傾斜賽道，就像駕?者在現(xiàn)實(shí)賽?中體驗(yàn)到拉??樣。據(jù)Sean介紹，“我們的技術(shù)可以與智能手機(jī)LRA協(xié)同工作，從而創(chuàng)造身臨其境的豐富游戲體驗(yàn)，正如人們?cè)谒髂酨S5游戲手柄上所獲得的體驗(yàn)。Boréas產(chǎn)品通過(guò)力感應(yīng)和局部觸覺(jué)功能來(lái)取代智能手機(jī)上的自適應(yīng)扳機(jī)鍵。由于我們的技術(shù)獨(dú)立于智能手機(jī) LRA，從而可將游戲中的振動(dòng)處理工作交予LRA，并且在智能手機(jī)肩部按鈕上創(chuàng)建嶄新的局部觸覺(jué)體驗(yàn)?！?

Boreas Technologies業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Sean Shen

更“完美”的壓電觸覺(jué)反饋方案

關(guān)于壓電致動(dòng)器的應(yīng)用面非常廣，而僅僅在觸覺(jué)反饋的致動(dòng)器這一領(lǐng)域，提供單純的分立元件的產(chǎn)品選擇也非常多。從單純的分立元件從零開(kāi)始搭建觸覺(jué)反饋的系統(tǒng)方案并不簡(jiǎn)單，這與壓電致動(dòng)器的工作原理也有著密不可分的關(guān)系。

壓電致動(dòng)器需要的驅(qū)動(dòng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ERM和LRA，所以要求驅(qū)動(dòng)器有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。為了獲得清晰的觸控反饋，需要壓電驅(qū)動(dòng)器提供更為高分辨率的輸出，有足夠的控制精度，同時(shí)減少不必要的噪聲，為用戶提供更為細(xì)膩的觸覺(jué)反饋。對(duì)于電池供電設(shè)備而言，待機(jī)功耗也是非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量因素，因此整個(gè)觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的待機(jī)功耗也要足夠低。此外，系統(tǒng)方案如果有豐富的波形參考庫(kù)，那么也將大大加速開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

目前市面上已經(jīng)有了不少的壓電致動(dòng)器廠商，提供了相應(yīng)的壓電致動(dòng)解決方案，例如Dialog、TI等等。如下圖所示，Boréas的CapDrive平臺(tái)的BOS1901壓電解決方案相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在功耗、啟動(dòng)時(shí)間和體積方面具備優(yōu)勢(shì)；Boréas的方案內(nèi)部集成了壓力傳感，而其近日最新推出的BOS0614更是實(shí)現(xiàn)了單芯片4通道的設(shè)計(jì)，僅需一顆BOS0614就可以驅(qū)動(dòng)4顆壓電致動(dòng)器，從而讓整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)度更高，BOM Cost和PCB占用面積更小。

Sean表示，“Boréas驅(qū)動(dòng)器從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載，例如壓電致動(dòng)器。這些致動(dòng)器產(chǎn)品本身具有很高的效率，幾乎可以將所有的能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。然而，它們需要高壓（~50-100V）驅(qū)動(dòng)才能移動(dòng)，而手機(jī)是由標(biāo)稱電壓為3.6V的電池供電。我們的架構(gòu)是在考慮這些限制因素的情況下而開(kāi)發(fā)的。與傳統(tǒng)放大器相比，CapDrive架構(gòu)通常能夠?qū)⒐慕档痛蠹s十倍，并將驅(qū)動(dòng)器占板面積減少大約四倍?！?

Boréas技術(shù)是完整的傳感和觸覺(jué)解決方案，傳感器檢測(cè)到需要觸覺(jué)效果的事件時(shí)，能夠在用戶手指處生成局部觸覺(jué)，而無(wú)需訪問(wèn)主觸覺(jué)電機(jī)。在同時(shí)存在多個(gè)觸覺(jué)源的情況下實(shí)現(xiàn)身臨其境的用戶體驗(yàn)，從這個(gè)角度而言，可以說(shuō)是對(duì)于手機(jī)LRA一種釋放。Boréas技術(shù)使用同一個(gè)壓電致動(dòng)器來(lái)感測(cè)和創(chuàng)建觸覺(jué)反饋，所有的信號(hào)都在芯片內(nèi)部進(jìn)行處理，因此在用戶輸入和觸覺(jué)反饋之間幾乎沒(méi)有延遲（小于1 ms）。通過(guò)結(jié)合局部觸覺(jué)，Boréas技術(shù)操作起來(lái)就像機(jī)械按鈕。用戶不會(huì)感覺(jué)到整部手機(jī)在振動(dòng)，而只有手指下方的位置在振動(dòng)，就像一個(gè)機(jī)械按鈕?！把菔緯r(shí)，我們經(jīng)常需要切斷演示裝置的電源，以證明這不是機(jī)械按鈕！”Sean分享到。

另外值得一提的是，Boréas的架構(gòu)還具有能量回收的設(shè)計(jì)，支持零功耗感應(yīng)（ZPS）特性，可讓IC處于睡眠模式，并僅在檢測(cè)到用戶輸入時(shí)自動(dòng)喚醒。這一特性非常適合于應(yīng)用在電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)按鍵上，例如在手機(jī)電池電量過(guò)低而無(wú)法啟動(dòng)的情況下，用戶按壓電源按鈕仍可以獲得觸覺(jué)反饋，就像按下和釋放真實(shí)的按鍵一般無(wú)疑。

壓電觸覺(jué)反饋迎來(lái)全面市場(chǎng)應(yīng)用

在消費(fèi)類電子設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備上，壓電觸覺(jué)反饋將會(huì)迎來(lái)更多應(yīng)用機(jī)會(huì)；除此外Boréas的壓電觸覺(jué)反饋方案也可以推動(dòng)一些新穎的觸覺(jué)應(yīng)用，包括在一些譬如VR、AR全新設(shè)備上實(shí)現(xiàn)搭載；而在汽車觸控、PC觸控板上，也有著確定的的應(yīng)用前景。

據(jù)Sean分享，PC領(lǐng)域有望率先采用Boréas的觸覺(jué)反饋技術(shù)，一些客戶計(jì)劃在2022年推出產(chǎn)品；移動(dòng)設(shè)備則排在第二位，一些客戶將于2023年推出相應(yīng)的產(chǎn)品。首個(gè)采用這項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)將會(huì)是游戲手機(jī)市場(chǎng)，手機(jī)游戲是電子競(jìng)技市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快速的部分，OEM廠商將提供可改善用戶表現(xiàn)和增強(qiáng)游戲沉浸感的游戲手機(jī)，努力滿足客戶的需求?！皞鹘y(tǒng) OEM廠商”（那些產(chǎn)品線中尚無(wú)游戲手機(jī)的廠商）將會(huì)采用Boréas技術(shù)，以滿足客戶對(duì)更好游戲手機(jī)的需求。旗艦安卓手機(jī)和游戲手機(jī)的規(guī)格并無(wú)重大區(qū)別。我們的技術(shù)能夠改善旗艦手機(jī)設(shè)備的游戲體驗(yàn)，而廠商無(wú)需建立游戲手機(jī)的專用品牌?！?

針對(duì)手機(jī)應(yīng)用，Boréas提供的有NexusTouch手機(jī)邊緣觸覺(jué)反饋、肩部按鍵（gaming piezo shoulder buttons）和顯示屏壓電觸覺(jué)三種解決方案。NexusTouch是一款集成式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，允許安卓智能手機(jī)設(shè)計(jì)人員將智能手機(jī)的邊緣變成交互式觸摸區(qū)。NexusTouch具備動(dòng)態(tài)虛擬按鈕映射功能，使制造商能夠利用特定區(qū)域來(lái)定義系統(tǒng)功能和觸覺(jué)效果來(lái)取代傳統(tǒng)機(jī)械式電源和音量按鈕。相比競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，NexusTouch的獨(dú)特之處在于實(shí)現(xiàn)手勢(shì)檢測(cè)的同時(shí)滿足了“可定位觸覺(jué)效果”。此外，用戶可以用自定義的觸發(fā)效果來(lái)代替高檔游戲手機(jī)上的機(jī)械按鍵。瞬時(shí)定位(split-second positioning)功能和快速的用戶輸入捕捉及反饋，為用戶實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的游戲操作。

針對(duì)PC的應(yīng)用，Boréas提供的有壓電觸控板（GlideSense）、微型鼠標(biāo)（Piezo Mice）及壓電手寫筆（Piezo-Stylus）的方案。GlideSense是通過(guò)觸控板下方使用薄型壓電振動(dòng)片來(lái)實(shí)現(xiàn)觸摸表面的觸覺(jué)反饋。正如其智能手機(jī)技術(shù)，觸控板解決方案也是使用同一個(gè)壓電片作為觸覺(jué)致動(dòng)器和力傳感器。相比傳統(tǒng)的ERM和LRA的方案，該方案的外型更為輕薄，適用于當(dāng)前輕薄的筆記本設(shè)計(jì)。此外，這是一個(gè)可以經(jīng)濟(jì)高效地?cái)U(kuò)展用于不同觸控板尺寸的解決方案，可以滿足OEM廠商任何可能的尺寸需求，涵蓋從輕量級(jí)超極本中的110 x 60 mm直到大型專業(yè)筆記本電腦中的 160 x 100 mm尺寸觸控面積用例，不僅可以應(yīng)用于旗艦設(shè)備，也可以集成在更低產(chǎn)品定位的大多數(shù)筆記本電腦中。

針對(duì)可穿戴設(shè)備應(yīng)用，Boréas推出了Piezo Haptic Engine，致動(dòng)器利用可穿戴設(shè)備內(nèi)部的組件來(lái)產(chǎn)生觸覺(jué)反饋。由于在可穿戴設(shè)備中，元器件在整個(gè)設(shè)備重量占比較高，因此利用壓電致動(dòng)的方案相比類似大小的ERM或LRA方案，反而可以產(chǎn)生更為強(qiáng)勁的反饋。

此外在汽車應(yīng)用方面，Boréas也正在與TDK合作針對(duì)汽車市場(chǎng)推廣壓電觸覺(jué)產(chǎn)品及其 120V PowerHap致動(dòng)器。

總結(jié)

壓電致動(dòng)器在局部觸覺(jué)反饋應(yīng)用中，有著不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；在觸控筆、智能手表中，又憑借著小體積、低功耗和高振動(dòng)量的優(yōu)勢(shì)有著非常強(qiáng)勢(shì)的應(yīng)用前景。在手機(jī)中作為主要觸覺(jué)反饋引擎替換LRA目前來(lái)看尚不現(xiàn)實(shí)，但作為邊緣觸控反饋提供了屏幕之外的人機(jī)交互界面，豐富了手機(jī)觸控體驗(yàn)。面向即將到來(lái)的元宇宙，在新形態(tài)的智能設(shè)備中，壓電觸覺(jué)反饋方案也有著非常多的創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)會(huì)。Boréas通過(guò)專利CapDrive技術(shù)，讓壓電觸覺(jué)反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了比LRA方案更優(yōu)異的功耗、響應(yīng)、體積和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)，讓壓電致動(dòng)器在觸覺(jué)反饋應(yīng)用中的真正落地成為可能。