智能座舱系列文三：它背后的5种交互技术之触觉

显然汽车行业有一个明显的趋势，屏幕越来越多，实体按钮和表盘越来越少。如前一节（智能座舱系列文二：它背后的5种交互技术之视觉）所述，对于屏幕，基于触摸的视觉显示已成为新常态。视觉显示器屏幕中基于触摸的控制通常是通过电阻、电容和表面声波等转换机制实现的。电容感应由于简单和多点触控感应在触摸屏中最为流行。

然而，如果考虑到视觉显示，他的一个缺点就是可能会分散驾驶员的注意力，所以汽车交互研究人员已经开始探索其他直观且不分散注意力的方法来向驾驶员提供反馈和交互。这个时候，触觉或触觉界面提供了以下几个优点：

• 安全：辅助信息可以传达给驾驶员和完成的任务，而无需对任何屏幕进行扫视，也无需将视线从道路上移开；

• 自然控制：众所周知，使用触摸的控制对人类来说更直观、更自然，并且需要更少的认知负荷；

• 隐私：人与车之间可以离散地进行通信，无需展示或公布；

• 更敏感：人类的触摸感应具有很高的空间分辨率，并且已经表明人类可以从光滑表面区分高达 13 nm 的图案；

• 反应时间快：还表明触觉反馈比视觉反馈快。

所以本文将介绍智能驾驶座舱5种技术交互之一的触觉

车内触觉或触觉界面的技术要求包括: 大面积分布式多模态传感、良好的空间分辨率、可弯曲性和灵活性、快速响应时间、低滞后、对重复接触的高耐久性和稳性。

触觉传感器可以嵌入车辆内部，通常与人接触的地方，例如方向盘、仪表板、座椅、头枕等。提取触觉信息需要：

• 动态力传感

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• 分布式压力传感

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• 接触点定位

由于高灵敏度、简单的读出电子设备、稳健性和低功耗，电容式传感是一种流行的应用。可以通过将导电材料印刷到可拉伸的薄片中来设计极薄、灵活和可拉伸的新型传感器。这些传感器可以集成到具有复杂形状和结构的车辆内部。当前机器人领域有所应用，这也就是回到我们之前文章KIA起亚汽车的2030战略，起亚会投资机器人领域。

与电容式触摸感应类似，接近感应可以检测导电物体，例如靠近的人。因此，它可用于检测空中手势以及基于触摸的手势。电容感应层可以嵌入非导电材料下，例如皮革、塑料或木材，这些材料通常存在于汽车中。例如，据报道，使用电容式接近感应的主动感应扶手结合了肢体检测和多个手势的识别。

触觉反馈的其他替代方案是振动触觉输入，可用于提醒昏昏欲睡或分心的驾驶员。例如，通过感应座椅向驾驶员提供触觉警报，被美国消费者报告盛赞的通用汽车super cruise 其中一个亮点就是采用此种方式，通过布置在座椅内的传感器在大腿两侧向用户提供定向触觉信号。

能够提供触觉感应以及集成到单个模块中的振动触觉反馈的新型设备是另一个有趣的例子。该设备的振动触觉组件可以在人手可感知的触觉频率阈值范围内的频率 (10–200 Hz) 上提供反馈。此类设备可能会集成到需要感应和反馈的汽车区域中，例如方向盘和扶手。压力传感也可以与温度等其他方式结合使用。例如，已经报道了具有堆叠电容压力传感器和温度传感器的多功能触摸感应电子皮肤。这种灵活的皮肤能够感应 >10 kPa 的压力和高达 80 °C 的温度，具有快速响应 (2.5 秒) 和恢复 (4.8 秒) 时间。

通过触感对人类活动监测（例如驾驶员姿势监测用例）需要计算机械应变和变形。在这方面，在聚二甲基硅氧烷基板内使用导电聚合物聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS) 微通道的高灵敏度柔性应变传感器引起了人们的注意。这种设备也可以用作测量驾驶员肌肉疲劳的可穿戴传感器。还使用现代车辆中存在的大型触觉显示器提供触觉反馈。例如，使用压电执行器通过沉浸式设计的主动传感技术系统可以在显示单元上提供精确和高保真的触觉反馈。显然在大面积表面上集成触觉反馈并非易事，因为它需要精确计算触觉效果的质量、方向和定位。此外，还可以在加速踏板和方向盘中提供触觉反馈，以最大限度地减少驾驶员的分心。

智能交互表面提供了另一个新方向，可将用户界面无缝集成到车辆内部表面，这些内部表面最初只是为了纯粹的审美目的而设计的。过去，用于装饰目的的内表面与提供控制输入或反馈输出的内表面之间存在明显的界限。然而，随着智能交互表面的出现，这种清晰的界限最近变得模糊，智能交互表面具有集成到装饰表面中的控制元素。例如有装饰照明元件、电容开关技术和与嵌入在纺织材料下的力传感器集成的触觉驱动的组合使用，用于功能化的门部件。在这种情况下，座椅记忆和座椅加热的电容式开关功能仅在搜索灯激活时可见。此外，激活开关的触觉反馈由通过不同开关单元颜色的视觉反馈来补充。此类技术只能在必要时使用，并具有秘密到亮的功能。例如延锋内饰展示的控制元件无缝集成到座椅和其他软内饰的纺织品中。最近，BMW 还展示了用于内部和外部表面的智能表面，称为“Shy Tech”。这个智能表面包含摄像头、雷达和许多传感器，具有数字功能，并具有自愈效果。还探索了作为传感元件的智能纺织品以开发智能内表面，因为纺织品通常用于汽车座椅套、安全带、车顶、门板和仪表板部件。

基于光纤的电容式和电阻式传感器非常常见。

在电容式纺织传感器中，常见的方法是包括单元素传感器、导电织物条纹、电子刺绣、印刷图案、涂层纤维和中空结构纤维。

单元素传感器可以在某一点感应接触。一个例子包括用于座椅的电容式传感器，其中用导电织物构建的电极布置在可压缩垫片的两侧，形成可变电容器。

中空结构纤维通常使用纤维内部的空气作为间隔物，并且对于汽车座椅的典型反复坐姿和洗涤非常坚固。由导电纱线编织或编织的导电织物条纹也可用作支撑结构和导电电极。例如，编织到织物中的基于银纱线的传感器已被证明具有低滞后性，如图  4c所示. 印刷在织物上的导电油墨图案以形成小型传感元件，可以以低成本进行缩放，是智能内饰的另一条有吸引力的途径。印刷的图案也耐洗。这种方法的一个例子是基于印刷织物的应变传感器，它已被证明可以测量手指角度和说话、咳嗽和吞咽时咽部的运动。

智能纺织传感器的另一种变体基于涂层纤维，其中织物由特殊涂层纤维针织或编织，并且两根纤维之间的电容变化给出了压力变化的量度，这些压力传感器可与车辆座椅一起用于监测驾驶员的人体工程学，如图 4a、b。

相反，电阻式纺织传感器通常包括由各种丝网印刷换能器材料、电子刺绣或纳米纤维制成的单元件传感器。示例包括压阻织物传感器，其中换能器材料夹在非导电织物和导电网格结构之间。传感器可以检测多点触控点，也可以是多模式的。例如，最近报道了能够用于分布式压力和应变传感器的可拉伸和可编织的压阻式多模态纺织传感器，如图 4d所示. 这种多模态传感器可以通过使用创新方法（例如使用可拉伸天线作为应变传感器）进行无线数据传输。

事实上，还有其他有趣的途径，例如已在其他应用领域探索的自供电传感器。例如，摩擦纳米发电机已被证明在施加负载时显示出不同的功率输出，这表明它们可以用作能量收集器和压力传感器。考虑到对能源的需求不断增长，此类解决方案可以为汽车行业增加显著价值。还探索了基于导电棉和黄麻纤维和电阻的传感器，用于温度和湿度传感和储能设备。此类传感器由可持续材料制成，可为纤维相对较厚的脚垫等内饰提供良好的解决方案。使用基于纤维的超级电容器脚垫，可以实现有趣的分布式能源范例。与在未来电动汽车中使用集中式电池相比，分布式能源有助于在车内产生更多空间并提高乘客舒适度。

车载交互的其他示例包括空中手势，同时在不接触任何表面的情况下获得逼真的触觉反馈。这些技术可以创造出丰富的 3D 形状和可以感觉到的纹理。为此，已经探索了基于气动和超声波的方法。在这方面，Ultraleap 和 哈曼的基于超声波的 IVIS值得注意。该系统通过触觉确认指令来响应驾驶员的手势命令。