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[信息] 五感传感器令电子设备更接近人类(一):传递感情

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发表于 2009-9-30 12:17:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
                        
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日本东京。东京大学研究院情报学专业教授历本纯一表示::“iPhone 与Wii 的上市完全颠覆了以往的鼠标操作方式。”历本教授同时也是索尼计算机科学研究所(索尼 CSL) 交互实验室的主任,他从上世纪九十年低后期就开始在索尼CSL研究被称为多触点式的用户界面(UI),这是类似于苹果公司2007年推出的iPhone中采用的用户界面。虽然索尼很早就开始了此方面的研究,但由于当时的界面还处于鼠标时代,因此索尼公司认为多触点技术距离实用还言之尚早。

通过五感传感器传递情感

  历本教授认为iPhone 的上市将带动今后用户界面的多样化发展。未来设备的用户界面将逼真到让人觉得设备就像在跟人打交道,甚至可以通过握手来交流感情( 图1) 。iPhone 与Wii 的广受欢迎并不是奇迹,而是必然结果。


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图1 用户界面从按键进化为五感传感器


  历本教授同时还认为:“鼠标发明于1964年,最初就像一块四方的石头。当时人们认为鼠标只是用于输入逻辑命令,与电脑之间无需情感交流,因此鼠标也不必具有人类的情感。但是,人手是非常灵活的,哪怕是握手这么简单的一个动作,也可以通过力度强弱等与对方进行交流。因此,未来的电子设备将会十分重视与用户的情感交流,采用更人性化的用户界面。”

  要想开发出新型的用户界面,让人们可以更直接地与电子设备进行互动,其中最重要的就是传感器,特别是对应人类视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉的五感传感器(见表1)。要使用户界面更人性化,前提条件就是电子设备必须具有类似于人类感觉器官的传感器。实际上,iPhone的用户界面就采用了相当于触觉器官的触觉传感器。索尼等公司也开始在相机及手机上采用“微笑快门”,用于检测镜头里的人物面部信息,当识别出笑脸时就自动按下快门。任天堂的Wii所采用的“Wii Fit平衡板”中则使用了压力传感器,站在板上的人可通过动作对其进行控制。压力传感器也可以感知一部分触觉。


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表1 五感传感器


集成在上述产品上的五感传感器仍然处于初级水平,但其今后的发展将很有可能会改变电子设备与人类之间的关系。东京大学名誉教授山崎弘郎长年从事传感器研究,他认为五感传感器的发展将会改变人与设备的关系。

  山崎教授评论说:“目前的电子产品都要由人来配合机械,所以需要一定的相关技能。如果能将五感传感器作为输入系统,那么就可以让机械来配合人。更先进的是可以直接感应人脑的活动。如果真能达到那种程度,设备与人之间就可以实现情感的分享和动作的配合等。”

从1位到多位

  集成直观用户界面的产品获得了巨大成功,也迅速推动了五感传感器在应用方面的研发工作。传感器系统通常包括传感器元件、相关布线、信息加工处理系统、信息识别系统,以及根据信息作出反应的驱动设备等,其中传感器元件、信息处理和识别系统都推出了特别先进的技术(见图2)。

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图2 新的五感传感器系统

  其中一个变化就是可以检测多样化的信息。例如,目前的触摸式传感器只能检测手指与触控笔的位置,而且大多只能检测1点。而最近已有可检测多点的用户界面上市,而且有的界面还可以检测力与压力,可以知道用户的按键强度,甚至还有能支持弯曲表面的用户界面。厂商们也在灵活运用此类界面,比如开发通过握手来了解对方情绪的机器人汽车

  以往的传感器通常是用于检测单一信息的产品。例如,采用红外感应的红外传感器只使用1 位信息来表示人是否在某个地方。但最近,通过类似于模拟信息的多位信息,新的传感器可以详细了解人的具体状态。例如,游戏机上可以直接使用传感器所测得的模拟信息,此外还出现了通过非接触式用户界面来检测人接近状态的静电容量传感器。

  五感传感器中的视觉与听觉传感器也在迅速实用化。不仅能够简单地记录影像、声音,在某种意义上,还可以提取出情感与表情信息。这与其说是传感器元件的进步,实际上不如说是处理传感器元件检测信息的信息处理技术的进步。东京大学历本教授认为:“在开车时,司机与副驾驶席上的人交谈时,不大会引发事故。而通过手机通话时,由于司机不知道通话对方的情况,所以引发事故的概率较高,即使使用免提通话,事故也在所难免。如果在手机通话时不仅可以识别声音,还可以知道对方的情绪,了解对方正在笑、生气或是很紧张,那么就有可能降低事故发生的概率。”(记者 伊藤元昭、野泽哲生 未完待续)



 楼主| 发表于 2009-9-30 12:23:20 | 显示全部楼层
第二五感传感器令电子设备更接近人类(二):改变生活
2009/09/29 00:00

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                    本文中文翻译由《电子设计应用》特别提供

上接本站报道: 五感传感器令电子设备更接近人类(一)

集成化与大面积化

  业界在提高传感器元件集成度的同时,也在开发面向大面积应用的传感器。夏普与索尼等公司就已经将液晶屏幕的TFT与光学触摸传感器元件成对集成到玻璃面板上。索尼的3.5 英寸液晶屏内集成了触摸传感器,比以往产品薄1mm,仅1.5mm厚。在微软面向宾馆、餐厅等推出的新款平面电脑MicrosoftSurface中,30英寸的显示屏内也集成了触摸传感器。嵌入触摸传感器的不光是显示屏,还可包括设备的外壳。

  听觉传感器方面,各公司也在研发硅麦克风。此类麦克风由MEMS工艺制造,已经开始嵌入到手机外壳内。将硅麦克风像感光元件那样以格状排列,就可以达到声音的空间分散。以此为基础,业内还研发了更新的技术,即使有多人同时讲话,也可以识别说话的人,还可以只提取出某个人所说的话。

通过调味器调整味道

  到目前为止,五感传感器中的嗅觉与味觉无论是在技术层面还是实用层面都属于进展较缓慢的。不过,这方面也将会发生较大变革。目前正在研发的传感器甚至可以检测人无法感觉到的气体,而且也在进行小型化的研究,将来准备集成到手机终端上。此外,目前正在进行研究的还包括可直接再现人类嗅觉、味觉的技术,以及将所收集的气味、香味进行数值化的技术。

  最先实用化的有可能是嵌入味觉传感器的电饭煲,可以通过传感器知道米饭在什么时候是最好吃的。另外,可以自动加入材料或调味料进行调味的自动烹调器也将不再是梦想。

取代导盲犬与缉毒犬

  如果五感传感器技术进一步进化,其应用将扩大到以下三个领域(见图3)。首先是采用五感传感器的用户界面。家电与汽车将可以通过传感器自然地接收人类所发出的信息,大大提高设备的易用性。

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图3 五感传感器的三大应用
此外,传感器在许多方面比人类的感觉更灵敏,因此,功能超强的传感器可用于辅助残障人士或强化设备的功能。而且,它不仅可用于制作眼镜与助听器,甚至可以使人具有更好的耳目功能。

  东京大学大学院信息理工系研究科智能机械信息学专业教授广濑通孝一直从事虚拟现实技术的研究,他认为有可能研发出高性能的眼镜,可看到人类看不到的紫外线与红外线,而且还能够清楚地看见月球表面。甚至还有可能研发出取代导盲犬的机器,给残障人士带来极大的方便。

  最近,嗅觉传感器也正在进行新的开发,据说新技术可以取代缉毒犬来检测毒品,或者识别人是否患有疾病。

  第三个应用就是通过传感器让设备具有专业人士的技能。五感传感器可以将捏寿司的力度大小、香水调香师的嗅觉、美食家的味觉等感觉信息数值化,并用于开发产品。在汽车行业,已经开始采用支持超高帧速率的摄像头来进行冲突测试分析,还开发了嵌入压力传感器的轮胎,通过传感器将螺钉最合适的松紧度进行数值化的技术也正在开发中。

家电将成为宠物

  五感传感器应用的扩展将打破人与电子设备之间的壁垒。实际上,将上述传感器用于人类,令一部分生物功能“机械化(cyborg)”的研究也正在进行。相反,将五感传感器嵌入设备内,使设备更像人类的研究,也可被称为“逆机械化”。

  不久的将来,设备不光只等待人的输入,而且可以自动察觉人的喜怒哀乐等情绪,并根据该情绪来预测人类的行为,并提出相应建议。由早稻田大学创造理工学院综合机械工科WABOT-HOUSE 研究所教授菅野重树领导的研发小组开发的看护机器人TWENDYONE 就力图通过识别、预测人类的感情而执行相应的动作。丰田汽车也于2008 年1 月发表声明说已经开发了可以检测驾驶员眼睛开闭情况的系统,用来防止事故发生。如果此类功能进一步完善,那么对于人来说,家电、汽车都可以让人感觉是具有特殊功能的宠物。(记者 伊藤元昭、野泽哲生 未完待续)

 楼主| 发表于 2009-9-30 12:25:39 | 显示全部楼层
具有并超越人类感觉的五感传感器

  各类五感传感器处于完全不同的开发阶段(见图4),从技术高度化、实用化的观点来看,可以分为以下几大阶段:开发新的传感器元件的阶段;进行小型化、集成化的阶段;发展信息处理及识别技术的阶段。

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图4 触觉、嗅觉、味觉的开发开始追赶视觉、听觉

  其中,触觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器在开发传感器元件的阶段就已经落后于其他传感器,但最近其新技术及崭新应用正在急速增加。例如,之前的触觉传感器只能检测位置,而新的传感器可检测压力与温度。而嗅觉传感器已经可以通过体臭或口臭识别疾病。味觉传感器则可真实再现人的味觉,将应用于烹调器具。

  处于较领先地位的是听觉传感器与视觉传感器,此类传感器在信息处理、识别技术上的发展惊人。不久,应该就可以从超高速动态影像中提取出各种信息,并扩大人类视野,可以看到以前人类看不到的地方。

  上述五感传感器开发的共通之处就是技术发展都充分参考了生物体的结构。不光是开发仿真人类感觉的传感器,而且还在致力于开发大大超越人的感觉及能力的传感器。

  下文将从传感器元件的初级开发阶段开始,按触觉、嗅觉、味觉、听觉、视觉的顺序,对各传感器的最前沿技术进行介绍。

触觉 目标是具有人类皮肤的触觉

  接触是人类最基本的交流手段之一。触觉传感器技术的提高,将有利于开发更具易用性的电子产品。但是,从目前所有集成了触觉传感器的系统来看,大部分还处于传感器元件开发的初级阶段。

  在触觉传感器中,触摸式传感器技术从以前就被当作用户界面使用,PC的鼠标也可说是触觉传感器的一种,而笔记本电脑等的触摸板早在上世纪90 年代初就已上市。

  上述传感器中采用了各种各样的技术(见表2)。例如,用间隔层隔开X、Y轴的布线,检测X、Y轴上通过光线的过滤情况;使用声波或超声波检测静电容量的变化等技术。虽然各类技术有各自的特征及研究课题,但大部分技术都只是输出触摸板上的二维位置信息,而且只能同时检测1 点的信息。 通过这1 点的位置信息所进行的操作,在使用上是难以大幅超越鼠标的。

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表2 触觉传感器的主要类型及方式

模仿人类感觉的应用在不断扩大

  触觉传感器技术最近已真正开始实用化,而且具有非常高的性能。具体来说,业界正在进行以下三大方面的新技术开发(见图5):大面积化、使用场所及应用的多样化;目标是具有人类皮肤的感觉,不仅检测位置,还将检测力度、压力、温度、表面凹凸、有无摩擦等;利用CMOS 工艺等进行集成。

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图5 触觉传感器开发的三大方面

  大面积方面有像微软公司的Microsoft Surface那样的大型液晶屏上市,该屏幕上布满了触摸传感器,不光面积大,而且可同时检测多根手指的接触,所以可以用两只手对屏幕上显示的相片、图形等进行移动、扩大、缩小、旋转等操作。

  人日常所接触到的家电将来也会向该方面发展,设备外表面将布满触摸传感器。

  早稻田大学的研究小组开发的看护机器人TWENDYONE 内嵌入了多种触觉传感器。胸与腕等处共计嵌入了164个8位分布式动力传感器FSR(Force Sensing Register),头与手指上安装的是6轴传感器,可测量3轴的力与3轴的力矩。在手掌的硅橡胶人工皮肤下,还安装了美国PPS(Pressure Profile Systems)公司的触觉传感膜,可检测微小的压力,并且可以抓住柔软的物体。每只手掌上有241个感应点。

  与人的手指相比,这种密度自然不算高。不过如果从机器人的整体性能来看,目前还无需更高的密度。以往的触觉传感器仅仅用来检测位置,但实际上人触摸机器人时,触摸的方式不同,所包含的情感信息也不同,十分复杂。早稻田大学的菅野教授表示,此次的机器人TWENDYONE 里就安装了可以控制这类复杂信息的传感器。(记者 伊藤元昭、野泽哲生 未完待续)

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