蘋果Force Touch和Apple Pencil技術(shù)揭秘

　　最近，媒體曝出蘋果新一代手機iPhone6s中會采用Force Touch技術(shù)。其實，早在Apple Watch和MacBook系列筆記本之上就已經(jīng)有所應用，不過這次的版本與此前不同。因為MacBook觸控板和Apple Watch可感應兩種不同水平的壓力，即輕點和按壓。而根據(jù)外媒爆料，新一代iPhone的“3D Touch Display”可以感應三種不同水平的壓力，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(yè)的緣故，我在新一代觸覺振動技術(shù)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，我在這里來科普下蘋果的新“黑科技”：Force Touch技術(shù)（由于蘋果沒有官方明確表示技術(shù)為“3D Touch”，這里就還稱為Force Touch技術(shù)），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，指通過感應壓力的產(chǎn)生和改變，從而實現(xiàn)電學數(shù)據(jù)的變化，再通過電學數(shù)據(jù)而產(chǎn)生指令，最后達到壓力而間接實現(xiàn)指令的過程。

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

　　前不久，華為也在中國發(fā)布了其壓力觸控屏幕的手機MATE S，其采用的技術(shù)方案暫未拆解清楚，但以其比上一款更薄的宣傳，其技術(shù)方案與蘋果有些許差異，但卻沒能引起行業(yè)的熱議，蘋果的影響力之大可想而知。

　　蘋果發(fā)布的壓力觸控，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(fā)布在手機上。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，對于觸覺反饋的應用，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(yè)的公司，已經(jīng)布局了基于“觸覺互動”的大量技術(shù)儲備與專利，其中軟件系統(tǒng)和硬件均有中國科技公司的身影。

　　比如TI公司早前推出過基于高電壓的新一代振動馬達的驅(qū)動芯片；IMMERSION公司布局了多項振動反饋專利，其網(wǎng)站也顯示推出新一代振動反饋方案；中國如衡業(yè)新材等，也在研發(fā)“新一代觸摸反饋”的核心硬件。

　　這次蘋果推出了“Force Touch”的技術(shù)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、Force Touch的技術(shù)原理

　　壓力觸控的原理，其實很容易理解：

　　屏幕感應手指壓力——通過手指壓力的面積變化——從而產(chǎn)生不同的電學信號——壓力傳感器件根據(jù)電信號進行處理——手機CPU接收壓力傳感器信號——手機CPU產(chǎn)生相應的指令——顧客感知由壓力產(chǎn)生的指令變化（比如屏幕變化、菜單）

　　下圖就是展示用戶如何通過按壓方式，獲得手機/平板反饋的這一完整過程的流程：

　　從上圖所示，觸覺反饋的技術(shù)原理，由觸摸產(chǎn)生的壓力、壓力的識別、識別后的回饋指令三個大的部分組成，其中很重要的是觸覺傳感器“Force Touch Sensors”，它是按壓觸摸的重要部件。

　　而手機構(gòu)造的輕薄，也給觸摸傳感器與FPC提出很高的要求，相對于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(guān)鍵部件所產(chǎn)生的厚度，也就是加入了Force Touch壓力模塊。不過也有傳，蘋果在下一代手機上，會縮小這個厚度，那么蘋果屆時會在哪里作何改動？

　　三、Force Touch的構(gòu)造

　　1、整體觸控構(gòu)造：

　　根據(jù)目前對iPhone6s的拆解，其采用的屏幕依然是Incell屏幕，供應商為JDI等日本公司，Incell 屏的觸控層在COVER GLASS之下，而且還要加上“Force Touch”的物理部件，因此，屏幕的構(gòu)造必須非常的精巧。

　　2、觸控層的特殊變革/材料變化

　　雖然依然是INCELL屏幕，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(wǎng)絡上能看到：蘋果要求其日本供應商供應納米銀屏幕，因此，行業(yè)看好的SILVER NANO WIRE（納米銀）是否已經(jīng)應用與新一代蘋果中，暫未確認。

　　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(xiàn)。

　　3、壓力傳感器部分

　　根據(jù)對蘋果MAC的公開拆解，MAC上有四個壓力傳感器，分別位于觸控的四方，而且還有一個由磁性材料組成的“回饋體系”。

　　Mac的觸控板拆解

　　從以上拆解的Mac觸控板上看，F(xiàn)orce Touch早已應用在Mac上，由于Mac面積和厚度，都更適合進行壓力觸感層的處理，因此，蘋果手機的采用，也來自于在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(tǒng)”——由磁性材料組成的“反饋器”，它的作用是對用戶按壓時候，進行聲音或震動的回饋，讓用戶的體驗更有“真實感”。

　　網(wǎng)上流出的蘋果6s的拆解：比6略厚，因為內(nèi)置了觸控傳感器

　　由于目前還沒有真實完整的iPhone6s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(jù)媒體公布的手機厚度的增加，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iPhone7，蘋果已經(jīng)表示會更薄，而更薄是來自于觸控部分的變化，還是蘋果本身其他器件的結(jié)構(gòu)的變化，不得而知，只能等相關(guān)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(shù)，只是“觸覺反饋體系”的開局，下一代手機，有望在觸覺反饋體系上，衍生出很多令消費者驚呼的應用。目前的Force Touch技術(shù)，只有指令和屏幕功能的變化，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”。

　　觸覺互動不僅包括手機的軟件體系的反饋，也包括手機“硬件體系的反饋”。比如，當你觸摸屏幕的“仙人球”， 你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，就是仿真，真實的感覺。

　　幾年前，日本在觸覺振動器件的推動下，生產(chǎn)了幾款可以快速響應振動的手機和平板，但當時的這些產(chǎn)品和壓力觸控都沒有多大關(guān)系：

　　比如，日本DOCOMO生產(chǎn)的一款“RAKURAKU”老人手機，其振動回饋可以讓在老人觸摸屏幕有觸感，如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；韓國PANTECH（潘泰）也推出過精敏振動的平板等等。

　　日本富士通的RAKURAKU老人手機

　　但由于當時沒有提出由壓力傳導，再通過物理回饋而組成一個閉環(huán)回路，這些置入了觸覺振動器件的產(chǎn)品并沒有引起行業(yè)的熱議，但這已經(jīng)算是“觸覺互動的雛形”。

　　2、觸覺互動的關(guān)鍵器件：物理回饋器件

　　觸覺互動體系，離不開一個關(guān)鍵器件：觸覺振動反饋器件， 它要求的反饋速度和精度，根本不是現(xiàn)有的偏轉(zhuǎn)振動馬達或直線振動馬達所能達到的。它需要全新的振動反饋器件，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(jié)合的器件，被認為是最佳的反饋器件。

　　而頗具悲傷的是，目前壓電MEMS器件也在突破之中?，F(xiàn)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(guān)鍵硬件研發(fā)的有日本的科技企業(yè)，也有中國年輕的海歸科技企業(yè)的身影。比如有從事陶瓷振動材料與器件研發(fā)的的科研朋友常和我坦言：我們堅信這一趨勢，通過材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)，已經(jīng)將電壓由100V以上降到36V，并在部分大尺寸的平板上進行試用，但應用于手機上面，還需要在體積等方面進行諸多改進。

　　中國企業(yè)衡業(yè)新材研發(fā)的“新一代陶瓷振動器件”原型

　　3、“觸覺互動”的未來

　　蘋果引領(lǐng)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(chǎn)生更多更大的應用市場，比如物聯(lián)網(wǎng)的應用等，也將翻開手機應用的新一頁。

　　更重要的是，觸覺反饋也將帶來行業(yè)的一系列連鎖反應，將催生更多新材料、新工藝、新器件的革命，特別是新材料與MEMS工藝的結(jié)合，將在其中得到廣泛的應用。

　　除了Force Touch，蘋果這次還重新定義了一項觸控技術(shù)，那就是曾經(jīng)喬布斯深惡痛絕的“觸控筆”。

　　在平板電腦用戶心中，手寫筆的需求是一直存在的，畢竟在觸摸屏上筆尖是比指尖精確一些的輸入方式。然而蘋果人一直沒有碰觸手寫筆的原因，可能是因為老喬生前的理念遺留。喬布斯曾經(jīng)在iPad一代發(fā)布會上公開嘲諷觸控筆：“誰會想整一支觸控筆？揣兜里不方便不說，你帶著一支筆到處溜達，弄丟了咋整，所以觸控筆都是扯犢子。”（喬老爺子原話，東北話版翻譯）

　　也許是因為平板市場的激烈競爭，加上用戶的強烈需求愿望，才導致蘋果為旗艦專業(yè)平板做出一個妥協(xié)的產(chǎn)品，這是在打喬布斯的臉嗎？

　　蘋果正式發(fā)布Apple Pencil之前，iPad Pro會配一款手寫筆的傳言就不絕于耳，甚至被曝光出非常多關(guān)于該觸控手寫筆的專利。

　　直至今日凌晨，這款Apple Pencil才千呼萬喚始出來，雖然人們對新iPad Pro的觸控筆有了一些心理預期，但仍然對這支筆感到些許驚喜，這支筆完全不同于傳統(tǒng)的電容觸控筆，確實是一款高科技的產(chǎn)品。

　　根據(jù)發(fā)布會介紹，Apple Pencil采用了純白的配色，設(shè)計簡潔優(yōu)雅，筆尖很細，完全顛覆了普通電容式觸控筆傻大憨粗的形象。Apple Pencil是專為iPad而生，可以與iPad進行合作使用，和傳統(tǒng)的觸控筆相比，其內(nèi)部隱藏了很多驚人的技術(shù)。

　　說到觸控筆就不得不提一下電容觸控筆的原理。簡單的說，設(shè)備工作時，會給與電容屏工作面通上一個很低的電壓，當用戶觸摸屏幕時，手指或觸控筆就會吸走一個很小的電流，這個電流分別從觸摸屏的四個角或四條邊上的電極中流出，經(jīng)過控制器對這四個電流的比例進行精密計算，從而得出觸摸點的位置。

　　傳統(tǒng)的觸控筆原理就是，在筆桿上采用金屬材質(zhì)，筆尖上安裝一個導電硅膠、導電棉或?qū)щ娎w維等材質(zhì)的筆頭，這樣就算給手指和屏幕之間搭建了一個通電的橋梁，從而可以控制屏幕。這種傳統(tǒng)觸控筆的缺陷就是，缺乏靈敏度和精度。

　　而根據(jù)發(fā)布會介紹，Apple Pencil可與iPad Pro屏幕進行連通使用，系統(tǒng)可以判定用戶是使用手指還是 Apple Pencil，當它感應到 Apple Pencil 時，輔助系統(tǒng)每秒 240 次掃描顯示屏，所收集的數(shù)據(jù)點相當于用手指的兩倍，響應能力十分迅捷高效。

　　Apple Pencil 內(nèi)置了壓力感應器和傾斜角度感應器，可以模擬人們用筆時的真實情況，比如感知壓力、位置，以及和iPad之間的夾角，根據(jù)筆尖的斜度和壓力，MulTI- Touch 顯示屏能偵測到每個感應器的相應位置，從而描繪出粗細程度不一的線條，舉個例子，用戶使用Apple Pencil寫畫時，如果按壓力度大，壓力傳感器會得到回饋，從而進行“線條加粗”之類書寫狀態(tài)的調(diào)整。

　　基于Apple Pencil的傳感器和iPad Pro的屏幕支持，Apple Pencil可以做到非常高的使用靈敏度，在屏幕上寫畫時并不會有延遲感，而且相對于傳統(tǒng)的電容觸控筆，Apple Pencil有著不可想象的高精度，最高可以精確到一個像素的書寫效果。

　　Apple Pencil既然集成了諸多技術(shù)，所以，與傳統(tǒng)觸控筆不同的是，Apple Pencil必然需要電量支持。在Apple Pencil的尾部，打開筆蓋，你會發(fā)現(xiàn)一個Lightening接口，可以直接插入iOS設(shè)備進行充電，覺得充電不方便？不用擔心，Apple Pencil支持 15 秒快充，一次快充可支持 30 分鐘的使用，而完全充滿的使用時間也達到了 12 個小時，足夠用戶日常使用。

　　蘋果并不是第一個使用高精技術(shù)制造觸控筆的廠商，之前紅極一時的53 Paper Pencil藍牙觸控筆同樣集成了很多技術(shù)，不過相對于Apple Pencil來說，53 Pencil的長相實在是太笨拙了。

　　雖然說是一款妥協(xié)的產(chǎn)品，但并沒有對付，依然做到了筆中的極致，這款Apple Pencil對于專業(yè)用戶來說還是一款非常合格的產(chǎn)品，99美元的價格雖然有些略貴，但是與53 Pencil也差距不大，畢竟這是一款專業(yè)工具。

　　不過Apple Pencil也有一個致命缺陷，那就是蘋果并沒有為這個精致的手寫筆提供置放的空間，53 Pencil 至少還能利用iPad 側(cè)邊的磁性欄貼合，而Apple Pencil并沒有合理的放置位置，看來喬幫主的擔憂是正確的：弄丟了可咋整？