從觸控到語音和手勢控制,人機介面(HMI)持續永無止境的發展。各種推陳出新的使用者介面(UI)——無論任何可能的新技術——一次又一次地證實對於影響消費者購買的決定至關重要。

沒有比蘋果(Apple)智慧型手機——iPhone更好的例子了。Apple由於推出配備創新觸控螢幕(涵蓋整個手機表面)的iPhone,改寫了整個行動市場的競爭格局。消費者十分買帳。

此外,還有一家總部位於加拿大魁北克省的12人新創公司——Boréas Technologies,正將其目標瞄準於更進一步地推動觸控技術。

如果消費者只需觸控裝置的一小部份區域,就能感受本地的局部高解析(HD)體驗——例如小面積振動呢?

觸覺社群不斷鼓吹的論調是HD觸覺反饋最終將讓你從螢幕上即可「體驗到襯衫的質感」。

Simon Chaput
Simon Chaput

Boréas創辦人兼執行長Simon Chaput認為,業界還需要更多時間,才能達到這樣的發展。他表示,達到高度HD觸覺反饋的技術將在「未來五到六年」內順利進展——可望達到概念驗證階段。實現HD觸覺反饋的關鍵就在於結合觸控感測、觸覺驅動以及基於壓電技術的驅動IC。

Boréas最近推出了「用於HD觸覺反饋的最低功耗壓電驅動IC,」可設計於穿戴式裝置以及其他電池供電的消費裝置。Chaput聲稱,Boréas的BOS1901是「目前市場上唯一能夠驅動壓電致動器(actuator)並加以感知的單一IC解決方案。」

Boréas對於業界的主要貢獻就在於顯著降低了功耗和壓電驅動IC佔位面積。

哈佛大學(Harvard University)電子工程與電腦科學教授Gu-Yeon Wei告訴《EE Times》,HD觸覺反饋的機會「豐富且多樣化」,從消費產品到現場應急人員以及擴增實境/虛擬實境(AR/VR)遊戲玩家等。他解釋說,這項新技術可以讓音訊和視訊增加「來自觸控的真實感受」。

Wei說,只需簡單地按壓行動裝置上較小面積的硬表面,使用者就可以感受到局部振動。例如,這種進展將使得系統設計人員能夠在智慧型手機或平板電腦上提供「虛擬按鈕」或「虛擬鍵盤」。而如果在安裝於特斯拉(Tesla)等車輛的大型顯示器上,駕駛人只需以1或3根手指在螢幕上操作,就可以感知到行駛路線,而不必緊盯著前方道路,他補充道。

也許更令人興奮的是觸覺能夠帶給遊戲真正身歷其境體驗的承諾。Wei說:「試想一下當你游泳時穿著觸覺緊身套裝,感受到一隻鯊魚從旁游過,或者戴著觸覺手套,在AR/VR遊戲中擊球的感覺。」

這項技術一開始是Chaput在Wei的實驗室中最先研究的技術,後來發展成為Boréas BOS1901觸覺驅動IC。在採訪過程中,Wei稱Chaput是「我所見過最好的工程師......聰明、有紀律,而且做事非常仔細。」

機電vs.壓電

值得注意的是,建構Boréas觸覺驅動器IC的CapDrive技術平台,是一種可加以擴展的專有壓電驅動器架構。

Boréas的驅動IC解決方案充份利用了壓電材料。透過結合壓電執動器與Boréas的壓電驅動IC,該新創公司認為其解決方案能夠提升HD觸覺反饋,大幅縮短響應時間至幾毫秒,而且還能降低能耗。但這些並不適用於基於偏軸轉動慣量(ERM)馬達和線性諧振致動器(LRA)的傳統觸覺解決方案。

Haptic Actuator Boréas聲稱其壓電解決方案是功耗最低的觸覺技術(來源:Boréas)

Chaput解釋,ERM振動通常出現在遊戲機中,如Sony PlayStation和大多數智 慧型手機。但它並未提供感測功能。LRA則定位為中階觸覺解決方案。Chaput說,LRA比ERM的表現更好,但LRA解決方案尺寸「相當大」。

相形之下,壓電採用薄型材料並提供非常短的響應時間。它是唯一提供整合感測功能的解決方案。小米(Xiaomi)曾經試著在揚聲器上使用壓電解決方案,但仍存在實施的問題。據Chaput說,該公司後來已不再使用它了。

Chaput表示,Boréas的壓電驅動IC解決方案較其他解決方案的能耗更低了10倍。而相較於主要的競爭對手,其響應速度提高了6倍。Chaput說,Boréas壓電驅動IC的延遲約為300微秒(us),「這是非常短的響應延遲,感覺幾乎是即時的。」

壓電的致命弱點?

雖然壓電觸覺解決方案以低功耗著稱,但其唯一的弱點就在於需要高驅動電壓。Chaput說,驅動壓電致動器需要50~200伏(V)電壓,因而減少了壓電被設計於電池供電裝置的機會。相形之下,Boréas’壓電驅動IC設計約在3~5.5V的範圍。

事實上,Chaput表示,Boréas真正發明之處在於該公司團隊「從頭開始建打造該驅動器,使其具有高效的壓電致動器和非常低的失真。」

Boréas驅動IC由於是「第一款用於壓電致動器的低功率高壓壓電驅動器」,其用戶可以在其觸覺系統中使用任何現成的壓電致動器。

Chaput說,Boréas’壓電驅動IC還提供了「獨特的差分輸出,以驅動一個雙極壓電致動器或兩個單極壓電致動器。」這減少了局部觸覺應用所需的驅動器數量,從而節省寶貴的電路板空間。

在Boréas’追求提升HD觸覺反饋的過程中,這一元素可能至關重要。哈佛大學的Wei解釋說,最終,HD觸覺反饋需要一系列小型觸覺致動器,它們能像「摩斯電碼」(Morse code)一樣協調地振動,以傳遞如同「感受到襯衫質料」般的知覺。

競爭格局

Boréas驅動IC的硬體佔位面積為4 x 4 x 0.8 mm。Chaput坦承這並不是一款十分小巧的IC。不過,他補充說,作為「在一款晶片中結合驅動和感測的完整系統」,它能夠成為空間受限的行動裝置之理想選擇。

可以肯定的是,Boréas並不是唯一一家致力於壓電的HD觸覺反饋晶片供應商。其競爭對手還包括德州儀器(Texas Instruments;TI)和荷蘭Aito BV。

根據Chaput團隊從競爭對手網站上資料表收集到的資訊,他相信BOS1901的功耗性能優於主要的競爭IC。

TI vs Boreas piezo driver IC 供電電流與輸出電壓的比較(來源:Boreas) (注:Vdd = 3.6V、f = 200 Hz、C = 47 nF。Vdd是供電電壓,f是輸出訊號頻率,而C是輸出負載的電容)

相較於TI或Aito的產品增加離散式解決方案用於電子感測或離散式高壓驅動器以驅動壓電致動器,Chaput總結道:「我們能夠提供更低的功耗和更小的佔位面積。」

隨著BOS1901的推出,Boréas還提供了一個隨插即用的開發套件,可用於互動式壓電觸覺反饋。據Chaput稱,目前有15家公司都在開發系統或評估BOS1901中。

boreas_devkit BOS1901開發套件(來源:Boreas)

Chaput並未透露BOS190採用哪一家或哪一種製程節點製造,但他補充說,Boréas採用的代工廠可確保為其生產高達數百萬單位驅動IC的規模。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Taking Touch Technology to the Next Level,by Junko Yoshida)