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HD触觉反馈让触控技术上升到一个新层次

时间:2018-10-16 作者:Junko Yoshida 阅读:
高度HD触觉反馈技术的发展可望在未来5~6年内达到概念验证阶段;而成功实现HD触觉反馈的关键就在于结合触控传感、触觉驱动以及基于压电技术的驱动IC…

从触控到语音和手势控制,人机接口(HMI)持续永无止境的发展。各种推陈出新的用户接口(UI)——无论任何可能的新技术——一次又一次地证实对于影响消费者购买的决定至关重要。

没有比苹果(Apple)智能手机——iPhone更好的例子了。Apple由于推出配备创新触控屏幕(涵盖整个手机表面)的iPhone,改写了整个行动市场的竞争格局。消费者十分买账。

此外,还有一家总部位于加拿大魁北克省的12人新创公司——Boréas Technologies,正将其目标瞄准于更进一步地推动触控技术。

如果消费者只需触控设备的一小部份区域,就能感受本地的局部高分辨率(HD)体验——例如小面积振动呢?

触觉社群不断鼓吹的论调是HD触觉反馈最终将让你从屏幕上即可“体验到衬衫的质感”。

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Simon Chaput

Boréas创办人兼首席执行官Simon Chaput认为,业界还需要更多时间,才能达到这样的发展。他表示,达到高度HD触觉反馈的技术将在“未来五到六年”内顺利进展——可望达到概念验证阶段。实现HD触觉反馈的关键就在于结合触控传感、触觉驱动以及基于压电技术的驱动IC。

Boréas最近推出了“用于HD触觉反馈的最低功耗压电驱动IC,”可设计于穿戴式设备以及其他电池供电的消费设备。Chaput声称,Boréas的BOS1901是“目前市场上唯一能够驱动压电致动器(actuator)并加以感知的单一IC解决方案。”

Boréas对于业界的主要贡献就在于显著降低了功耗和压电驱动IC占位面积。

哈佛大学(Harvard University)电子工程与计算机科学教授Gu-Yeon Wei告诉《EE Times》,HD触觉反馈的机会“丰富且多样化”,从消费产品到现场应急人员以及扩增实境/虚拟现实(AR/VR)游戏玩家等。他解释说,这项新技术可以让音频和视频增加“来自触控的真实感受”。

Wei说,只需简单地按压行动设备上较小面积的硬表面,使用者就可以感受到局部振动。例如,这种进展将使得系统设计人员能够在智能手机或平板电脑上提供“虚拟按钮”或“虚拟键盘”。而如果在安装于特斯拉(Tesla)等车辆的大型显示器上,驾驶人只需以1或3根手指在屏幕上操作,就可以感知到行驶路线,而不必紧盯着前方道路,他补充道。

也许更令人兴奋的是触觉能够带给游戏真正身历其境体验的承诺。Wei说:“试想一下当你游泳时穿着触觉紧身套装,感受到一只鲨鱼从旁游过,或者戴着触觉手套,在AR/VR游戏中击球的感觉。”

这项技术一开始是Chaput在Wei的实验室中最先研究的技术,后来发展成为Boréas BOS1901触觉驱动IC。在采访过程中,Wei称Chaput是“我所见过最好的工程师......聪明、有纪律,而且做事非常仔细。”

机电vs.压电

值得注意的是,建构Boréas触觉驱动器IC的CapDrive技术平台,是一种可加以扩展的专有压电驱动器架构。

Boréas的驱动IC解决方案充份利用了压电材料。透过结合压电致动器与Boréas的压电驱动IC,该新创公司认为其解决方案能够提升HD触觉反馈,大幅缩短响应时间至几毫秒,而且还能降低能耗。但这些并不适用于基于偏轴转动惯量(ERM)马达和线性谐振致动器(LRA)的传统触觉解决方案。

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Boréas声称其压电解决方案是功耗最低的触觉技术(来源:Boréas)

Chaput解释,ERM振动通常出现在游戏机中,如Sony PlayStation和大多数智能手机。但它并未提供传感功能。LRA则定位为中档触觉解决方案。Chaput说,LRA比ERM的表现更好,但LRA解决方案尺寸“相当大”。

相形之下,压电采用薄型材料并提供非常短的响应时间。它是唯一提供整合传感功能的解决方案。小米(Xiaomi)曾经试着在扬声器上使用压电解决方案,但仍存在实施的问题。据Chaput说,该公司后来已不再使用它了。

Chaput表示,Boréas的压电驱动IC解决方案较其他解决方案的能耗更低了10倍。而相较于主要的竞争对手,其响应速度提高了6倍。Chaput说,Boréas压电驱动IC的延迟约为300微秒(us),“这是非常短的响应延迟,感觉几乎是实时的。”

压电的致命弱点?

虽然压电触觉解决方案以低功耗著称,但其唯一的弱点就在于需要高驱动电压。Chaput说,驱动压电致动器需要50~200伏(V)电压,因而减少了压电被设计于电池供电设备的机会。相形之下,Boréas’压电驱动IC设计约在3~5.5V的范围。

事实上,Chaput表示,Boréas真正发明之处在于该公司团队“从头开始建打造该驱动器,使其具有高效的压电致动器和非常低的失真。”

Boréas驱动IC由于是「第一款用于压电致动器的低功率高压压电驱动器」,其用户可以在其触觉系统中使用任何现成的压电致动器。

Chaput说,Boréas’压电驱动IC还提供了“独特的差分输出,以驱动一个双极压电致动器或两个单极压电致动器。”这减少了局部触觉应用所需的驱动器数量,从而节省宝贵的电路板空间。

在Boréas’追求提升HD触觉反馈的过程中,这一元素可能至关重要。哈佛大学的Wei解释说,最终,HD触觉反馈需要一系列小型触觉致动器,它们能像“摩斯电码”(Morse code)一样协调地振动,以传递如同“感受到衬衫质料”般的知觉。

竞争格局

Boréas驱动IC的硬件占位面积为4 x 4 x 0.8 mm。Chaput坦承这并不是一款十分小巧的IC。不过,他补充说,作为“在一款芯片中结合驱动和传感的完整系统”,它能够成为空间受限的行动设备之理想选择。

可以肯定的是,Boréas并不是唯一一家致力于压电的HD触觉反馈芯片供应商。其竞争对手还包括德州仪器(Texas Instruments;TI)和荷兰Aito BV。

根据Chaput团队从竞争对手网站上数据表收集到的信息,他相信BOS1901的功耗性能优于主要的竞争IC。

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供电电流与输出电压的比较(来源:Boreas) (注:Vdd = 3.6V、f = 200 Hz、C = 47 nF。Vdd是供电电压,f是输出讯号频率,而C是输出负载的电容)

相较于TI或Aito的产品增加离散式解决方案用于电子传感或离散式高压驱动器以驱动压电致动器,Chaput总结道:“我们能够提供更低的功耗和更小的占位面积。”

随着BOS1901的推出,Boréas还提供了一个即插即用的开发工具包,可用于交互式压电触觉反馈。据Chaput称,目前有15家公司都在开发系统或评估BOS1901中。

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BOS1901开发工具包(来源:Boreas)

Chaput并未透露BOS190采用哪一家或哪一种工艺节点制造,但他补充说,Boréas采用的代工厂可确保为其生产高达数百万单位驱动IC的规模。

编译:Susan Hong,EET Taiwan
 

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