苹果Force Touch和Apple Pencil技术揭秘

触控感测

205人已加入

描述

  最近,媒体曝出苹果新一代手机iPhone6s中会采用Force Touch技术。其实,早在Apple Watch和MacBook系列笔记本之上就已经有所应用,不过这次的版本与此前不同。因为MacBook触控板和Apple Watch可感应两种不同水平的压力,即轻点和按压。而根据外媒爆料,新一代iPhone的“3D Touch Display”可以感应三种不同水平的压力,有轻点、按压和更强的按压。

  所以,“3D Touch”的命名很可能因此而来。

  

  因为专业的缘故,我在新一代触觉振动技术上耕耘多年,看到这个消息觉得很兴奋,觉得触觉互动的春天来了。带着对“ 触觉互动”、下一代“人机对话”的好奇,我在这里来科普下苹果的新“黑科技”:Force Touch技术(由于苹果没有官方明确表示技术为“3D Touch”,这里就还称为Force Touch技术),以及由此开启的更广阔方向:触觉互动。

  一、由Force Touch开启的“触觉互动”大门

  Force Touch,即压力触觉,指通过感应压力的产生和改变,从而实现电学数据的变化,再通过电学数据而产生指令,最后达到压力而间接实现指令的过程。

  压力触觉的研究探索,已经有很多年了。其中,美国Z-origin的Z-Tohch则是较早的触控探索者,后来,微软、黑莓都相继提出触控方面的专利和应用,但由于各类原因,其触控给顾客感受,并不完美。

  前不久,华为也在中国发布了其压力触控屏幕的手机MATE S,其采用的技术方案暂未拆解清楚,但以其比上一款更薄的宣传,其技术方案与苹果有些许差异,但却没能引起行业的热议,苹果的影响力之大可想而知。

  苹果发布的压力触控,以苹果惯有的风格而言,应该是比较成熟和完善的,所以才会发布在手机上。因此,苹果的号召力,让压力触控开启了“触觉互动”的大门。

  目前的手机,对于触觉反馈的应用,仅仅停留在振动和提醒上。但是,美国“IMMERSION”公司等振动和触控行业的公司,已经布局了基于“触觉互动”的大量技术储备与专利,其中软件系统和硬件均有中国科技公司的身影。

  比如TI公司早前推出过基于高电压的新一代振动马达的驱动芯片;IMMERSION公司布局了多项振动反馈专利,其网站也显示推出新一代振动反馈方案;中国如衡业新材等,也在研发“新一代触摸反馈”的核心硬件。

  这次苹果推出了“Force Touch”的技术应用,为更广大的“人机触觉互动”打开了大门,让用户迈进了新一代“触觉互动”的时代。

  二、Force Touch的技术原理

  压力触控的原理,其实很容易理解:

  屏幕感应手指压力——通过手指压力的面积变化——从而产生不同的电学信号——压力传感器件根据电信号进行处理——手机CPU接收压力传感器信号——手机CPU产生相应的指令——顾客感知由压力产生的指令变化(比如屏幕变化、菜单)

  下图就是展示用户如何通过按压方式,获得手机/平板反馈的这一完整过程的流程:

  3D Touch

  从上图所示,触觉反馈的技术原理,由触摸产生的压力、压力的识别、识别后的回馈指令三个大的部分组成,其中很重要的是触觉传感器“Force Touch Sensors”,它是按压触摸的重要部件。

  而手机构造的轻薄,也给触摸传感器与FPC提出很高的要求,相对于平板和电脑来说必须非常轻薄。这次苹果手机反而增加厚度,是因为“Force Touch”的关键部件所产生的厚度,也就是加入了Force Touch压力模块。不过也有传,苹果在下一代手机上,会缩小这个厚度,那么苹果届时会在哪里作何改动?

  三、Force Touch的构造

  1、整体触控构造:

  

  根据目前对iPhone6s的拆解,其采用的屏幕依然是Incell屏幕,供应商为JDI等日本公司,Incell 屏的触控层在COVER GLASS之下,而且还要加上“Force Touch”的物理部件,因此,屏幕的构造必须非常的精巧。

  2、触控层的特殊变革/材料变化

  虽然依然是INCELL屏幕,而其触控层是否引入了最新的革命性材料,暂时尚未可知,但从网络上能看到:苹果要求其日本供应商供应纳米银屏幕,因此,行业看好的SILVER NANO WIRE(纳米银)是否已经应用与新一代苹果中,暂未确认。

  3D Touch

  苹果的专利显示,苹果将原有的触控层,接近液晶的部分,将其中ITO的VCOM层切割成平行线,就是为了压力触控的实现。

  3、压力传感器部分

  根据对苹果MAC的公开拆解,MAC上有四个压力传感器,分别位于触控的四方,而且还有一个由磁性材料组成的“回馈体系”。

  

  Mac的触控板拆解

  从以上拆解的Mac触控板上看,Force Touch早已应用在Mac上,由于Mac面积和厚度,都更适合进行压力触感层的处理,因此,苹果手机的采用,也来自于在Mac上使用的工艺积累。

  必须要看到的是,Mac上有个专门的“回馈系统”——由磁性材料组成的“反馈器”,它的作用是对用户按压时候,进行声音或震动的回馈,让用户的体验更有“真实感”。

  

  网上流出的苹果6s的拆解:比6略厚,因为内置了触控传感器

  由于目前还没有真实完整的iPhone6s拆解,特别是针对其压力触控部分的逐件拆解,因此,如何精巧地将压力触控部分放置其中是一大难题。且根据媒体公布的手机厚度的增加,应该起触控控制器件的作用,但目前尚无法做到非常轻薄,有其物理极限。

  下一代的iPhone7,苹果已经表示会更薄,而更薄是来自于触控部分的变化,还是苹果本身其他器件的结构的变化,不得而知,只能等相关消息放出,我们再做深入分析。

  四、“触觉互动”才是Force Touch开启的未来

  1、触觉互动的起源与雏形

  压力传感技术,只是“触觉反馈体系”的开局,下一代手机,有望在触觉反馈体系上,衍生出很多令消费者惊呼的应用。目前的Force Touch技术,只有指令和屏幕功能的变化,还没有“来自手机对顾客的物理回馈”。

  ----这就是未来的“触觉互动”。

  

  触觉互动不仅包括手机的软件体系的反馈,也包括手机“硬件体系的反馈”。比如,当你触摸屏幕的“仙人球”, 你如果能感到一种刺手的感觉,这就是对“触觉互动”的通俗诠释。更通俗来说,就是仿真,真实的感觉。

  几年前,日本在触觉振动器件的推动下,生产了几款可以快速响应振动的手机和平板,但当时的这些产品和压力触控都没有多大关系:

  比如,日本DOCOMO生产的一款“RAKURAKU”老人手机,其振动回馈可以让在老人触摸屏幕有触感,如按压键盘一样的实物感,还曾风靡一时;日本松下也推出独特振动回馈的平板;韩国PANTECH(潘泰)也推出过精敏振动的平板等等。

  

  日本富士通的RAKURAKU老人手机

  但由于当时没有提出由压力传导,再通过物理回馈而组成一个闭环回路,这些置入了触觉振动器件的产品并没有引起行业的热议,但这已经算是“触觉互动的雏形”。

  2、触觉互动的关键器件:物理回馈器件

  触觉互动体系,离不开一个关键器件:触觉振动反馈器件, 它要求的反馈速度和精度,根本不是现有的偏转振动马达或直线振动马达所能达到的。它需要全新的振动反馈器件,其中包括磁性材料、压电陶瓷材料,而压电陶瓷材料与MEMS工艺结合的器件,被认为是最佳的反馈器件。

  而颇具悲伤的是,目前压电MEMS器件也在突破之中。现在存在的局限性有:体积只适合PAD,离手机对体积的要求有距离、功耗问题,但目前由多层陶瓷带来的功耗大大降低,有望解决这一问题。

  从事关键硬件研发的有日本的科技企业,也有中国年轻的海归科技企业的身影。比如有从事陶瓷振动材料与器件研发的的科研朋友常和我坦言:我们坚信这一趋势,通过材料与结构技术,已经将电压由100V以上降到36V,并在部分大尺寸的平板上进行试用,但应用于手机上面,还需要在体积等方面进行诸多改进。

  

  中国企业衡业新材研发的“新一代陶瓷振动器件”原型

  3、“触觉互动”的未来

  苹果引领的“触觉互动”,有着广阔的未来应用前景,它不仅让顾客有真正的“人机对话”体验感,更会产生更多更大的应用市场,比如物联网的应用等,也将翻开手机应用的新一页。

  更重要的是,触觉反馈也将带来行业的一系列连锁反应,将催生更多新材料、新工艺、新器件的革命,特别是新材料与MEMS工艺的结合,将在其中得到广泛的应用。

  除了Force Touch,苹果这次还重新定义了一项触控技术,那就是曾经乔布斯深恶痛绝的“触控笔”。

  在平板电脑用户心中,手写笔的需求是一直存在的,毕竟在触摸屏上笔尖是比指尖精确一些的输入方式。然而苹果人一直没有碰触手写笔的原因,可能是因为老乔生前的理念遗留。乔布斯曾经在iPad一代发布会上公开嘲讽触控笔:“谁会想整一支触控笔?揣兜里不方便不说,你带着一支笔到处溜达,弄丢了咋整,所以触控笔都是扯犊子。”(乔老爷子原话,东北话版翻译)

  

  也许是因为平板市场的激烈竞争,加上用户的强烈需求愿望,才导致苹果为旗舰专业平板做出一个妥协的产品,这是在打乔布斯的脸吗?

  

  苹果正式发布Apple Pencil之前,iPad Pro会配一款手写笔的传言就不绝于耳,甚至被曝光出非常多关于该触控手写笔的专利。

  直至今日凌晨,这款Apple Pencil才千呼万唤始出来,虽然人们对新iPad Pro的触控笔有了一些心理预期,但仍然对这支笔感到些许惊喜,这支笔完全不同于传统的电容触控笔,确实是一款高科技的产品。

  根据发布会介绍,Apple Pencil采用了纯白的配色,设计简洁优雅,笔尖很细,完全颠覆了普通电容式触控笔傻大憨粗的形象。Apple Pencil是专为iPad而生,可以与iPad进行合作使用,和传统的触控笔相比,其内部隐藏了很多惊人的技术。

  说到触控笔就不得不提一下电容触控笔的原理。简单的说,设备工作时,会给与电容屏工作面通上一个很低的电压,当用户触摸屏幕时,手指或触控笔就会吸走一个很小的电流,这个电流分别从触摸屏的四个角或四条边上的电极中流出,经过控制器对这四个电流的比例进行精密计算,从而得出触摸点的位置。

  传统的触控笔原理就是,在笔杆上采用金属材质,笔尖上安装一个导电硅胶、导电棉或导电纤维等材质的笔头,这样就算给手指和屏幕之间搭建了一个通电的桥梁,从而可以控制屏幕。这种传统触控笔的缺陷就是,缺乏灵敏度和精度。

  而根据发布会介绍,Apple Pencil可与iPad Pro屏幕进行连通使用,系统可以判定用户是使用手指还是 Apple Pencil,当它感应到 Apple Pencil 时,辅助系统每秒 240 次扫描显示屏,所收集的数据点相当于用手指的两倍,响应能力十分迅捷高效。

  Apple Pencil 内置了压力感应器和倾斜角度感应器,可以模拟人们用笔时的真实情况,比如感知压力、位置,以及和iPad之间的夹角,根据笔尖的斜度和压力,Multi- Touch 显示屏能侦测到每个感应器的相应位置,从而描绘出粗细程度不一的线条,举个例子,用户使用Apple Pencil写画时,如果按压力度大,压力传感器会得到回馈,从而进行“线条加粗”之类书写状态的调整。

  

  基于Apple Pencil的传感器和iPad Pro的屏幕支持,Apple Pencil可以做到非常高的使用灵敏度,在屏幕上写画时并不会有延迟感,而且相对于传统的电容触控笔,Apple Pencil有着不可想象的高精度,最高可以精确到一个像素的书写效果。

  Apple Pencil既然集成了诸多技术,所以,与传统触控笔不同的是,Apple Pencil必然需要电量支持。在Apple Pencil的尾部,打开笔盖,你会发现一个Lightening接口,可以直接插入iOS设备进行充电,觉得充电不方便?不用担心,Apple Pencil支持 15 秒快充,一次快充可支持 30 分钟的使用,而完全充满的使用时间也达到了 12 个小时,足够用户日常使用。

  

  苹果并不是第一个使用高精技术制造触控笔的厂商,之前红极一时的53 Paper Pencil蓝牙触控笔同样集成了很多技术,不过相对于Apple Pencil来说,53 Pencil的长相实在是太笨拙了。

  虽然说是一款妥协的产品,但并没有对付,依然做到了笔中的极致,这款Apple Pencil对于专业用户来说还是一款非常合格的产品,99美元的价格虽然有些略贵,但是与53 Pencil也差距不大,毕竟这是一款专业工具。

  不过Apple Pencil也有一个致命缺陷,那就是苹果并没有为这个精致的手写笔提供置放的空间,53 Pencil 至少还能利用iPad 侧边的磁性栏贴合,而Apple Pencil并没有合理的放置位置,看来乔帮主的担忧是正确的:弄丢了可咋整?

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分