用於觸覺呈現的方法和設備的製作方法

2023-06-06 03:16:56 1

專利名稱：用於觸覺呈現的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明在其一些實施例中涉及用於數據呈現的方法和系統，更特別但非排他性 地，涉及利用在溶液中發生的電化學反應進行數據呈現的方法和系統。
背景技術：
在過去的十年期間，已經開發了各種動態觸覺接口。常見的動態觸覺接口是盲文 顯示器(Braille display)，其包括通過串行或並行電纜連接到計算機的機電設備。該顯示 器由上下移動以表示盲文字位(cell)的點的一排機電觸覺元件組成。常常將盲文顯示器 與其它硬體和軟體組合以構成集成單元。例如，盲文顯示器連接到視頻監視器以充當顯示 單元，並且許多單元還結合了屏幕提示的語音輸出。供在可刷新盲文和/或圖形觸覺顯示器中使用的示例性機電觸覺字位由對應於 八個觸覺引腳的八個壓電簧片元件組成。提供必要的電連接和驅動力以致動簧片，由此促 使觸覺引腳在觸覺表面之上突出以允許顯示盲文字符或圖形元素。已知有其它機電觸覺字位和/或可刷新觸覺顯示器。例如，於2008年2月1日提 交的美國專利No. 7，009, 595描述了用於伸展性可刷新觸覺圖形顯示器的裝置和方法。該 裝置在顯示表面處包括引腳陣列，其中優選地是引腳設置執行機構和顯示表面矩陣是分立 的單元。該顯示矩陣由堆疊的功能層提供，功能包括臨時引腳保持和引腳鎖定。在美國專利No. 7，018，209中描述了另一示例，其描述了用於使用一個或多個形 狀記憶彈簧的執行機構和顯示器的各種裝置和方法。形狀記憶彈簧被加熱並將引腳推動至 第一或伸展位置。可以由支撐機構將所述引腳支撐在第一位置中。所述形狀記憶彈簧被電 加熱，並且在一些實施例中受處理器的控制。此裝置可以用來顯示由電腦程式在用戶接 口中提供的信息，包括文本、數值數據和圖形圖像。

發明內容
根據本發明的一些實施例，提供了一種用於可感知內容的觸覺呈現的方法。所述 方法包括接收表示可感知內容的數據；根據該數據來選擇多個電流，每個電流與具有多 個高分子的溶液的多個區域中的至少一個相關聯；以及通過向所述多個區域中的至少一個 施加各自的所述電流來改變所述多個區域中的至少一個的酸性水平(PH)。所述多個區域中 的質子濃度觸覺地(或，在觸覺上)呈現可感知內容。可任選地，所述改變包括使定位於所述溶液中的多個電極偏壓(biasing)以執行 所述改變。可任選地，所述可感知內容具有時空模式(pattern)；還包括重複所述改變和所4述觸覺地呈現，以模擬所述時間模式。可任選地，通過改變鄰近於所述溶液的質子濃度以引起來自或去往該溶液的離子 運動來執行所述改變。可任選地，所述方法還包括在所述溶液後面顯示數據。可任選地，所述改變包括測量所述至少一個區域中的每一個中的pH，並根據該測 量來執行所述改變。根據本發明的一些實施例，提供了一種用於可感知內容的觸覺呈現的裝置。所述 裝置包括層，其具有至少一個PH依賴特性；控制器，其被配置為用於接收表示可感知內容 的數據並根據該數據來選擇多個電流；以及多個電極，其被配置為用於通過同時向所述層 的多個區域施加所述多個電流來改變所述層的多個區域中的酸性水平(pH)。所述施加改變 了每個區域中的至少一個PH依賴特性，以便所述層觸覺地呈現可感知內容。可任選地，由所述控制器來單獨地控制每個電極。可任選地，所述層包括凝膠。可任選地，所述層和所述電極陣列是彈性的。可任選地，根據被布置在至少一個人體器官上來確定所述層和所述電極陣列的尺 寸和形狀；所述可感知內容是施加在所述至少一個人體器官上以引起觸覺感受的觸覺模式。可任選地，所述裝置還包括多個流量傳感器，其每一個均被配置為用於檢測所述 多個區域的各自區域中的溶液流量，所述控制器被配置為用於響應於所檢測的溶液流量來 指示各自區域中的觸摸。可任選地，所述層包括至少一個pH指示劑，該至少一個pH指示劑被配置為用於在 各自的PH被改變時在每個區域中改變其顏色。
可任選地，所述裝置還包括多個pH傳感器，所述多個pH傳感器的每一個被配置為 用於測量所述多個區域的各自區域中的PH，所述控制器被配置為用於根據所述多個pH傳 感器來調整所述多個電流。更可任選地，每個pH傳感器被配置為用於通過執行測量來檢測施加在各自的所 述區域上的壓力。更可任選地，所述可感知內容是從與所述控制器的通信的外部設備接收到的指7J\ ο更可任選地，所述控制器將所述可感知內容轉換成至少一個浮雕圖案 (embossment)，根據所述至少一個浮雕圖案來選擇所述多個電流，以便使得所述層觸覺地 呈現所述至少一個浮雕圖案。可任選地，所述多個電極被布置成如下結構，該結構具有選擇由凸起模式、凹陷模 式和波狀模式組成的組中的模式。可任選地，所述裝置還包括屏幕，所述屏幕定位於所述層下面並被配置為用於顯 示與所述可感知內容有關的圖像。可任選地，所述裝置還包括輸入設備，所述輸入設備定位於所述層下面並被配置 為用於在所述觸覺呈現期間檢測施加在所述層上的壓力。根據本發明的一些實施例，提供了一種用於凝膠層中的可感知內容的觸覺呈現的裝置。所述裝置包括具有至少一個PH依賴特性的凝膠層、多個電極、在所述凝膠與所述電 極陣列之間進行分隔的膜、至少一個反電極(counter electrode)、在所述至少一個反電極 與所述電極陣列之間形成的電室、以及被配置為用於接收表示可感知內容的數據並根據該 數據來使所述電極陣列偏壓以改變所述電室中的質子濃度的控制器。所述質子濃度通過所 述層的離子經由所述膜的經過從而在所述層中引發各自的質子濃度，以便所述層觸覺地呈 現所述可感知內容。根據本發明的一些實施例，提供了一種數據輸入設備，該數據輸入設備包括具有 至少一個PH依賴特性且具有多個可尋址區域的層、每個均定位所述多個可尋址區域中的 一個且被配置為用於檢測其中的PH變化的多個pH傳感器、以及被配置為用於從各自的pH 傳感器接收關於所述PH變化的通知並將表示了該pH變化的信號轉送到計算單元的控制 器。所述PH變化由至少一個物體(或對象)對各自的可尋址區域的觸摸引起。可任選地，所述層包括至少一個pH指示劑，所述至少一個pH指示劑被配置為用於 響應於所述PH變化在各自區域中改變其顏色。根據本發明的一些實施例，提供了一種用於改變顯示的光學元件。所述光學元件 包括具有至少一個PH依賴特性的層、被配置為用於接收表示模式的數據並根據該數據來 選擇多個電流的控制器、以及被配置為用於通過同時向所述層的多個區域施加所述多個電 流來改變所述層的多個區域的酸性水平(PH)的多個電極。所述施加改變了每個區域中的 所述至少一個PH依賴特性，從而所述層的至少一個光學性質被改變。除非另外定義，本文所使用的所有技術和/或科學術語具有與本發明相關領域的 技術人員一般理解的意義相同的意義。下面描述示例性方法和/或材料，但在本發明的實 施例的實施或測試中可以使用與本文所述的那些方法和材料類似或等效的方法和材料。在 發生衝突的情況下，將以本專利說明書(包括定義)為準。另外，所述材料、方法和示例僅 僅是說明性的，且並不意圖必須是限制性的。本發明的實施例的方法和/或系統的實現可以涉及手動地、自動地或組合地執行 或完成所選任務。此外，根據本發明的方法和/或系統的實施例的實際儀器和設備，可以使 用作業系統由硬體、由軟體、或由固件、或由其組合來實現多個所選任務。例如，可以將用於執行根據本發明的實施例的所選任務的硬體實現為晶片或電 路。作為軟體，可以將根據本發明的實施例的所選任務實現為由使用了任何適當作業系統 的計算機來執行的多個軟體指令。在本發明的示例性實施例中，由數據處理器來執行根據 如本文所述的方法和/或系統的示例性實施例的一個或多個任務，諸如用於執行多個指令 的計算平臺。可任選地，所述數據處理器包括用於存儲指令和/或數據的易失性存儲器和 /或用於存儲指令和/或數據的非易失性存儲器，例如磁性硬碟和/或可移動介質。可任 選地，還提供網絡連接。還可任選地，提供了顯示器和/或諸如鍵盤或滑鼠等的用戶輸入設 備。


在本文中參照附圖僅僅以示例的方式描述了本發明的一些實施例。現在詳細地參 照附圖，應強調的是所示的特定細節是作為示例，並且是出於本發明的實施例的說明性討 論的目的。關於此方面，結合附圖進行的說明將使本領域的技術人員清楚可以如何實施本發明的實施例。在附圖中圖1是根據本發明的一些實施例的用於通過溶液的多個區域中的分子濃度的選 擇性控制來進行數據的觸覺呈現的方法。圖2A和圖2B是根據本發明的一些實施例的可選擇性尋址電極的示例性二維陣列 的側視圖和頂視圖的示意圖。圖3A和圖:3B是根據本發明的一些實施例的多個空間和時空模式的選擇性觸覺呈 現設備的示意圖。
具體實施例方式本發明在其一些實施例中涉及用於數據呈現的方法和系統，更特別但非排他性 地，涉及利用在溶液中發生的電化學反應來進行數據呈現的方法和系統。根據本發明的一些實施例，提供了用於在具有pH依賴特性的溶液中進行諸如圖 像和文本等可感知內容的觸覺呈現的方法和裝置。所述方法基於表示可感知內容並可任選 地從外部單元接收的數據，所述外部單元例如是客戶終端的計算單元，如蜂窩電話、媒體播 放器和/或諸如膝上型計算機的個人計算機等。然後，例如由控制器根據接收到的數據來 選擇電流。使每個電流與諸如凝膠的一層溶液中的區域相關聯。例如使用可選擇性尋址的 電極向所述關聯區域施加電流。電流的施加改變所述關聯區域的酸性水平(PH)。以這種方 式，改變所述層的拓撲結構以觸覺地呈現在接收到的數據中表示的可感知內容。例如，如果 所述數據是字，則控制器可以生成一組電流，其改變所述層的拓撲結構以觸覺地呈現所述 字的盲文表示和/或其浮雕圖案。在另一實施例中，接收到的數據包括圖像以及將被改變 以觸覺地呈現該圖像的浮雕圖案的所述層的拓撲結構。可任選地，由諸如可選擇性尋址電極的二維陣列之類的陣列來施加電流。可任選 地，為了保持層的拓撲結構，將多個PH傳感器連接到所述控制器。在此類實施例中，所述pH 傳感器可以提供所述區域的PH水平的變化的指示，允許控制器調整其施加的電流，從而刷 新層的拓撲結構以觸覺地呈現接收到的數據。根據本發明的一些實施例，提供了 一種數據輸入設備，諸如觸控螢幕。該數據輸入設 備包括具有至少一個PH依賴特性的層，諸如上述的層。多個pH傳感器定位在所述層中的 多個可尋址區域中，所述多個可尋址區域例如為定位在諸如LCD屏幕等顯示器上的多個區 域。每個PH傳感器測量關聯區域中的pH並檢測在其中發生的pH變化。所述設備還包括 從PH傳感器接收關於pH變化的通知並相應地向計算單元轉送信號的控制器。以這種方式， 由一個或多個可尋址區域中的一個或多個物體的觸摸引起的PH變化被報告給所述計算單 元，允許用戶通過在層上施加壓力來與設備相交互。在詳細地解釋本發明的至少一個實施例之前，應理解的是本發明在其應用方面不 一定局限於在以下說明中闡述和/或在附圖和/或示例中舉例說明的組件和/或方法的構 造和布置細節。本發明能夠具有其它實施例或以各種方式來實施或執行。現在對圖1進行參考，其為根據本發明的一些實施例的通過諸如凝膠等溶液的多 個區域中的分子濃度的選擇性控制來進行數據呈現(可任選地為觸覺呈現)的方法。首先， 如在附圖標記91處所示，提供了偏壓設備，其允許可任選地選擇性且同時地向包含諸如凝膠等溶液的容器的多個區域施加多個電流。例如，所述偏壓設備可以包括電源，該電源連接 到可選擇性尋址的電極的陣列。該陣列可任選地定位於由水和多個高分子組成的溶液中。 每個可選擇性尋址的電極在溶液的相鄰區域中和/或附近施加電場。可以用氧化或還原電 位單獨地使每個電極偏壓。還對圖2A和圖2B進行參考，其為根據本發明的一些實施例的定位於一層溶液18 中並分別連接到電源27的可選擇性尋址電極的示例性二維OD)陣列沈的側視圖和頂視 圖的示意圖。可任選地，溶液層觀被限制在柔性容器中。陣列沈的每個電極102可任選 地定位於可以稱為字位、區域和/或像素102的可任選地有界的區域中。在圖2A和圖2B 中描繪的示例性陣列26由電極102的10X10矩陣組成，每個電極102被選擇性地通電，以 通過水電解調製來改變和/或獨立地保持區域中的酸性水平(PH)。可任選地，每個工作電 極102與其他電極隔離，並被相對於分開的或公共的反電極103單獨地偏壓。在每兩個電 極之間，設置有傳感器以監視與工作電極102相鄰之處的局部pH。可任選地，每個工作電極 102均分別地連接到控制器38，控制器38設計成用所選電位分別使所述工作電極偏壓。如在附圖標記92處所示，提供了表示可感知內容的數據，在本文中稱為可感知數 據，諸如可視、可聽、和/或觸覺信息和/或刺激。本文所使用的，可感知數據意指圖像、聲 音、一組各種變量、和/或具有一個或多個維度且可以被人或動物感知的任何其它數據。此 類可感知數據可以是表示了符號、字符、詞語、段落、圖像、景象、諸如視頻之類的一組圖像、 和/或任何其它表達方式的數字和/或模擬數據。可選任地，控制器38從諸如個人計算機、 瘦客戶端、個人數字助理(PDA)、智慧型電話和/或用於處理圖像、符號、和/或任何其它可感 知數據的任何其它計算單元之類的客戶終端接收例如字和/或字符之類的可感知數據。然後，如在附圖標記93處所示，根據接收到的可感知數據來選擇電極102中的一 個或多個，以及可任選地，選擇電壓。此類選擇允許用氧化或還原電位進行各自區域的偏 壓。可任選地，由控制器38來執行此選擇。控制器38將所提供的可感知數據轉換成一組 電流，該電流被選擇為在溶液層18中引起可感知數據的觸覺呈現，例如下文所述。每個電 極102的偏壓使溶液中的區域電解，從而改變其中的pH，例如下文所述。在此類實施例中，控制器38可以將由客戶終端顯示、記錄和/或播放的字和/或 字符自動地轉換成用來創建各自拓撲結構的電流，所述拓撲結構在層的表面上提供各自的 觸覺呈現，如下文進一步所述。可任選地，在客戶終端上執行轉換並將其轉送到控制器38。如附圖標記94處所示，此類選擇性偏壓根據所提供的可感知數據來改變溶液層 18的各種區域中的pH水平。如附圖標記95處所示，改變的pH水平引起溶液中的高分子的 質子化或去質子化，促使溶液18的區域的一個或多個的觸覺和/或拓撲特性改變。如本文 所使用的，觸覺和/或拓撲特性意指淨電荷、結構、剛性係數、粘度係數和彈性係數。在此類實施例中，採用各種氧化或還原電位的電極的選擇性偏壓在電極與附近溶 液之間的接觸區域處引起水電解。當施加氧化電位時，與質子一起形成氧氣，如下所示公式1 2H20 — 02+4H++4e",引起陽極表面附近的pH降低。當施加還原電位時，形成氫氣，如下所示公式2 2H20+2e" — H2+20F，留下與溶液中的質子重組而產生水並因此增加局部pH的羥基離子。應注意的是溶液與原始PH值的PH偏差取決於其緩衝量和離子強度。pH影響溶液中的高分子的質子化。以這種方式，可以動態地控制觸覺和/或拓撲 特性。因此，通過使得能夠實現電控的PH調製，溶液的水解允許操縱緊挨著電極/溶液界 面的生物分子。可任選地，所述溶液包括高氯化鈉濃度。在此類實施例中，很可能用氯氣釋放來補 充公式1中所述的反應。當溶液包含質子和羥基離子時，可以將其在穩態下的濃度計算為位置函數，該位 置函數通過求解以下泊松方程而計算
權利要求
1.一種用於可感知內容的觸覺呈現的方法，包括接收表示可感知內容的數據；根據所述數據來選擇多個電流，每個所述電流與具有多個高分子的溶液中的多個區域 中的至少一個相關聯；以及通過向所述多個區域中的至少一個施加各自的所述電流來改變所述多個區域中的至 少一個的酸性水平PH ；其中，所述多個區域中的質子濃度觸覺地呈現所述可感知內容。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述改變包括使定位於所述溶液中的多個電極偏 壓以執行所述改變。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述可感知內容具有時空模式；還包括重複所述改 變和所述觸覺地呈現，以模擬所述時間模式。
4.如權利要求1所述的方法，其中，通過改變鄰近於所述溶液處的質子濃度以引起來 自或去往所述溶液的離子運動來執行所述改變。
5.如權利要求1所述的方法，還包括在所述溶液後面顯示所述數據。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述改變包括測量所述至少一個區域中的每一個 中的所述PH並根據所述測量來執行所述改變。
7.一種用於可感知內容的觸覺呈現的裝置，包括層，其具有至少一個PH依賴特性；控制器，其被配置為用於接收表示可感知內容的數據並根據所述數據來選擇多個電 流；以及多個電極，其被配置為用於通過同時向所述層的多個區域施加所述多個電流來改變所 述層的多個區域中的酸性水平PH ；其中，所述施加改變了每個所述區域中的所述至少一個PH依賴特性，以便使得所述層 觸覺地呈現所述可感知內容。
8.如權利要求7所述的裝置，其中，由所述控制器來單獨地控制每個所述電極。
9.如權利要求7所述的裝置，其中，所述層包括凝膠。
10.如權利要求7所述的裝置，其中，所述層和所述電極的陣列是彈性的。
11.如權利要求7所述的裝置，其中，根據將布置在至少一個人體器官上來確定所述層 和所述電極的陣列的尺寸和形狀；所述可感知內容是施加在所述至少一個人體器官上以弓I 起觸覺感受的觸覺模式。
12.如權利要求7所述的裝置，還包括多個流量傳感器，所述多個流量傳感器的每一個 均被配置為用於檢測所述多個區域的各自區域中的溶液流量，所述控制器被配置為用於響 應於所檢測的溶液流量來指示所述各自區域中的觸摸。
13.如權利要求7所述的裝置，其中，所述層包括至少一個pH指示劑，所述至少一個pH 指示劑被配置為用於在各自的所述PH改變時在每個所述區域中改變其顏色。
14.如權利要求7所述的裝置，還包括多個pH傳感器，所述多個pH傳感器的每一個被 配置為用於測量所述多個區域的各自區域中的所述PH，所述控制器被配置為用於根據所述 多個pH傳感器來調整所述多個電流。
15.如權利要求14所述的裝置，其中，每個所述pH傳感器被配置為用於通過執行所述測量來檢測施加在各自的所述區域上的壓力。
16.如權利要求14所述的裝置，其中，所述可感知內容是從與所述控制器通信的外部 設備接收到的指示。
17.如權利要求14所述的裝置，其中，所述控制器將所述可感知內容轉換成至少一個 浮雕圖案，根據所述至少一個浮雕圖案來選擇所述多個電流，以便使得所述層觸覺地呈現 所述至少一個浮雕圖案。
18.如權利要求7所述的裝置，其中，所述多個電極被布置成如下結構，該結構具有選 自由凸起模式、凹陷模式和波狀模式組成的組中的模式。
19.如權利要求7所述的裝置，還包括屏幕，所述屏幕定位於所述層下面並被配置為用 於顯示與所述可感知內容有關的圖像。
20.如權利要求7所述的裝置，還包括輸入設備，所述輸入設備定位於所述層下面並被 配置為用於在所述觸覺呈現期間檢測施加在所述層上的壓力。
21.一種用於在凝膠層中進行可感知內容的觸覺呈現的裝置，包括 凝膠層，其具有至少一個PH依賴特性；多個電極；膜，其在所述凝膠與所述電極的陣列之間進行分隔； 至少一個反電極；電室，其在所述至少一個反電極與所述電極的陣列之間形成；以及 控制器，其被配置為用於接收表示可感知內容的數據並根據所述數據使所述電極的陣 列偏壓，以改變所述電室中的質子濃度；其中，所述質子濃度通過所述層的離子經由所述膜的經過從而在所述層中引發各自的 質子濃度，使得所述層觸覺地呈現所述可感知內容。
22.—種數據輸入設備，包括層，其具有至少一個PH依賴特性並具有多個可尋址區域；多個PH傳感器，其每一個均定位所述多個可尋址區域之一，並被配置為用於檢測其中 的PH變化；以及控制器，其被配置為用於從各自的所述PH傳感器接收關於所述PH變化的通知，並向計 算單元轉送表示了所述PH變化的信號；其中，所述PH變化由至少一個物體對各自的所述可尋址區域的觸摸引起。
23.如權利要求22所述的數據輸入設備，其中，所述層包括至少一個pH指示劑，所述至 少一個pH指示劑被配置為用於響應於所述pH變化在各自的所述區域中改變其顏色。
24.一種用於改變顯示的光學元件，包括 層，其具有至少一個PH依賴特性；控制器，其被配置為用於接收表示模式的數據並根據所述數據來選擇多個電流；以及 多個電極，其被配置為用於通過同時向所述層的多個區域施加所述多個電流來改變所 述層的多個區域中的酸性水平PH ；其中，所述施加改變了每個所述區域中的所述至少一個PH依賴特性，從而所述層的至 少一個光學性質被改變。
全文摘要
一種用於可感知內容的觸覺呈現的方法。所述方法包括接收表示可感知內容的數據；根據該數據來選擇多個電流，每個電流與具有多個高分子的溶液的多個區域中的至少一個相關聯；以及通過向所述多個區域中的至少一個施加各自的電流來改變所述多個區域中的至少一個的酸性水平pH。所述多個區域中的質子濃度觸覺地呈現所述可感知內容。
文檔編號G09B21/00GK102047306SQ200980119103
公開日2011年5月4日 申請日期2009年3月25日 優先權日2008年3月25日
發明者E·布羅德, U·西萬 申請人:技術研究及發展基金有限公司