CN102047306A - 用于触觉呈现的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于可感知内容的触觉呈现的方法。所述方法包括：接收表示可感知内容的数据；根据该数据来选择多个电流，每个电流与具有多个高分子的溶液的多个区域中的至少一个相关联；以及通过向所述多个区域中的至少一个施加各自的电流来改变所述多个区域中的至少一个的酸性水平pH。所述多个区域中的质子浓度触觉地呈现所述可感知内容。

Description

用于触觉呈现的方法和设备

相关申请

本申请涉及2008年3月25日提交的美国临时专利申请61/039,277。以上文献的内容通过引用结合到本文中，如同其在本文中被完全阐述一样。

技术领域

本发明在其一些实施例中涉及用于数据呈现的方法和系统，更特别但非排他性地，涉及利用在溶液中发生的电化学反应进行数据呈现的方法和系统。

背景技术

在过去的十年期间，已经开发了各种动态触觉接口。常见的动态触觉接口是盲文显示器(Braille display)，其包括通过串行或并行电缆连接到计算机的机电设备。该显示器由上下移动以表示盲文字位(cell)的点的一排机电触觉元件组成。常常将盲文显示器与其它硬件和软件组合以构成集成单元。例如，盲文显示器连接到视频监视器以充当显示单元，并且许多单元还结合了屏幕提示的语音输出。

供在可刷新盲文和/或图形触觉显示器中使用的示例性机电触觉字位由对应于八个触觉引脚的八个压电簧片元件组成。提供必要的电连接和驱动力以致动簧片，由此促使触觉引脚在触觉表面之上突出以允许显示盲文字符或图形元素。

已知有其它机电触觉字位和/或可刷新触觉显示器。例如，于2008年2月1日提交的美国专利No.7,009,595描述了用于伸展性可刷新触觉图形显示器的装置和方法。该装置在显示表面处包括引脚阵列，其中优选地是引脚设置执行机构和显示表面矩阵是分立的单元。该显示矩阵由堆叠的功能层提供，功能包括临时引脚保持和引脚锁定。

在美国专利No.7,018,209中描述了另一示例，其描述了用于使用一个或多个形状记忆弹簧的执行机构和显示器的各种装置和方法。形状记忆弹簧被加热并将引脚推动至第一或伸展位置。可以由支撑机构将所述引脚支撑在第一位置中。所述形状记忆弹簧被电加热，并且在一些实施例中受处理器的控制。此装置可以用来显示由计算机程序在用户接口中提供的信息，包括文本、数值数据和图形图像。

发明内容

根据本发明的一些实施例，提供了一种用于可感知内容的触觉呈现的方法。所述方法包括：接收表示可感知内容的数据；根据该数据来选择多个电流，每个电流与具有多个高分子的溶液的多个区域中的至少一个相关联；以及通过向所述多个区域中的至少一个施加各自的所述电流来改变所述多个区域中的至少一个的酸性水平(pH)。所述多个区域中的质子浓度触觉地(或，在触觉上)呈现可感知内容。

可任选地，所述改变包括使定位于所述溶液中的多个电极偏压(biasing)以执行所述改变。

可任选地，所述可感知内容具有时空模式(pattern)；还包括重复所述改变和所述触觉地呈现，以模拟所述时间模式。

可任选地，通过改变邻近于所述溶液的质子浓度以引起来自或去往该溶液的离子运动来执行所述改变。

可任选地，所述方法还包括在所述溶液后面显示数据。

可任选地，所述改变包括测量所述至少一个区域中的每一个中的pH，并根据该测量来执行所述改变。

根据本发明的一些实施例，提供了一种用于可感知内容的触觉呈现的装置。所述装置包括：层，其具有至少一个pH依赖特性；控制器，其被配置为用于接收表示可感知内容的数据并根据该数据来选择多个电流；以及多个电极，其被配置为用于通过同时向所述层的多个区域施加所述多个电流来改变所述层的多个区域中的酸性水平(pH)。所述施加改变了每个区域中的至少一个pH依赖特性，以便所述层触觉地呈现可感知内容。

可任选地，由所述控制器来单独地控制每个电极。

可任选地，所述层包括凝胶。

可任选地，所述层和所述电极阵列是弹性的。

可任选地，根据被布置在至少一个人体器官上来确定所述层和所述电极阵列的尺寸和形状；所述可感知内容是施加在所述至少一个人体器官上以引起触觉感受的触觉模式。

可任选地，所述装置还包括多个流量传感器，其每一个均被配置为用于检测所述多个区域的各自区域中的溶液流量，所述控制器被配置为用于响应于所检测的溶液流量来指示各自区域中的触摸。

可任选地，所述层包括至少一个pH指示剂，该至少一个pH指示剂被配置为用于在各自的pH被改变时在每个区域中改变其颜色。

可任选地，所述装置还包括多个pH传感器，所述多个pH传感器的每一个被配置为用于测量所述多个区域的各自区域中的pH，所述控制器被配置为用于根据所述多个pH传感器来调整所述多个电流。

更可任选地，每个pH传感器被配置为用于通过执行测量来检测施加在各自的所述区域上的压力。

更可任选地，所述可感知内容是从与所述控制器的通信的外部设备接收到的指示。

更可任选地，所述控制器将所述可感知内容转换成至少一个浮雕图案(embossment)，根据所述至少一个浮雕图案来选择所述多个电流，以便使得所述层触觉地呈现所述至少一个浮雕图案。

可任选地，所述多个电极被布置成如下结构，该结构具有选择由凸起模式、凹陷模式和波状模式组成的组中的模式。

可任选地，所述装置还包括屏幕，所述屏幕定位于所述层下面并被配置为用于显示与所述可感知内容有关的图像。

可任选地，所述装置还包括输入设备，所述输入设备定位于所述层下面并被配置为用于在所述触觉呈现期间检测施加在所述层上的压力。

根据本发明的一些实施例，提供了一种用于凝胶层中的可感知内容的触觉呈现的装置。所述装置包括：具有至少一个pH依赖特性的凝胶层、多个电极、在所述凝胶与所述电极阵列之间进行分隔的膜、至少一个反电极(counter electrode)、在所述至少一个反电极与所述电极阵列之间形成的电室、以及被配置为用于接收表示可感知内容的数据并根据该数据来使所述电极阵列偏压以改变所述电室中的质子浓度的控制器。所述质子浓度通过所述层的离子经由所述膜的经过从而在所述层中引发各自的质子浓度，以便所述层触觉地呈现所述可感知内容。

根据本发明的一些实施例，提供了一种数据输入设备，该数据输入设备包括具有至少一个pH依赖特性且具有多个可寻址区域的层、每个均定位所述多个可寻址区域中的一个且被配置为用于检测其中的pH变化的多个pH传感器、以及被配置为用于从各自的pH传感器接收关于所述pH变化的通知并将表示了该pH变化的信号转送到计算单元的控制器。所述pH变化由至少一个物体(或对象)对各自的可寻址区域的触摸引起。

可任选地，所述层包括至少一个pH指示剂，所述至少一个pH指示剂被配置为用于响应于所述pH变化在各自区域中改变其颜色。

根据本发明的一些实施例，提供了一种用于改变显示的光学元件。所述光学元件包括：具有至少一个pH依赖特性的层、被配置为用于接收表示模式的数据并根据该数据来选择多个电流的控制器、以及被配置为用于通过同时向所述层的多个区域施加所述多个电流来改变所述层的多个区域的酸性水平(pH)的多个电极。所述施加改变了每个区域中的所述至少一个pH依赖特性，从而所述层的至少一个光学性质被改变。

除非另外定义，本文所使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明相关领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。下面描述示例性方法和/或材料，但在本发明的实施例的实施或测试中可以使用与本文所述的那些方法和材料类似或等效的方法和材料。在发生冲突的情况下，将以本专利说明书(包括定义)为准。另外，所述材料、方法和示例仅仅是说明性的，且并不意图必须是限制性的。

本发明的实施例的方法和/或系统的实现可以涉及手动地、自动地或组合地执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和设备，可以使用操作系统由硬件、由软件、或由固件、或由其组合来实现多个所选任务。

例如，可以将用于执行根据本发明的实施例的所选任务的硬件实现为芯片或电路。作为软件，可以将根据本发明的实施例的所选任务实现为由使用了任何适当操作系统的计算机来执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施例中，由数据处理器来执行根据如本文所述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务，诸如用于执行多个指令的计算平台。可任选地，所述数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁性硬盘和/或可移动介质。可任选地，还提供网络连接。还可任选地，提供了显示器和/或诸如键盘或鼠标等的用户输入设备。

附图说明

在本文中参照附图仅仅以示例的方式描述了本发明的一些实施例。现在详细地参照附图，应强调的是所示的特定细节是作为示例，并且是出于本发明的实施例的说明性讨论的目的。关于此方面，结合附图进行的说明将使本领域的技术人员清楚可以如何实施本发明的实施例。

在附图中：

图1是根据本发明的一些实施例的用于通过溶液的多个区域中的分子浓度的选择性控制来进行数据的触觉呈现的方法。

图2A和图2B是根据本发明的一些实施例的可选择性寻址电极的示例性二维阵列的侧视图和顶视图的示意图。

图3A和图3B是根据本发明的一些实施例的多个空间和时空模式的选择性触觉呈现设备的示意图。

具体实施方式

本发明在其一些实施例中涉及用于数据呈现的方法和系统，更特别但非排他性地，涉及利用在溶液中发生的电化学反应来进行数据呈现的方法和系统。

根据本发明的一些实施例，提供了用于在具有pH依赖特性的溶液中进行诸如图像和文本等可感知内容的触觉呈现的方法和装置。所述方法基于表示可感知内容并可任选地从外部单元接收的数据，所述外部单元例如是客户终端的计算单元，如蜂窝电话、媒体播放器和/或诸如膝上型计算机的个人计算机等。然后，例如由控制器根据接收到的数据来选择电流。使每个电流与诸如凝胶的一层溶液中的区域相关联。例如使用可选择性寻址的电极向所述关联区域施加电流。电流的施加改变所述关联区域的酸性水平(pH)。以这种方式，改变所述层的拓扑结构以触觉地呈现在接收到的数据中表示的可感知内容。例如，如果所述数据是字，则控制器可以生成一组电流，其改变所述层的拓扑结构以触觉地呈现所述字的盲文表示和/或其浮雕图案。在另一实施例中，接收到的数据包括图像以及将被改变以触觉地呈现该图像的浮雕图案的所述层的拓扑结构。

可任选地，由诸如可选择性寻址电极的二维阵列之类的阵列来施加电流。可任选地，为了保持层的拓扑结构，将多个pH传感器连接到所述控制器。在此类实施例中，所述pH传感器可以提供所述区域的pH水平的变化的指示，允许控制器调整其施加的电流，从而刷新层的拓扑结构以触觉地呈现接收到的数据。

根据本发明的一些实施例，提供了一种数据输入设备，诸如触摸屏。该数据输入设备包括具有至少一个pH依赖特性的层，诸如上述的层。多个pH传感器定位在所述层中的多个可寻址区域中，所述多个可寻址区域例如为定位在诸如LCD屏幕等显示器上的多个区域。每个pH传感器测量关联区域中的pH并检测在其中发生的pH变化。所述设备还包括从pH传感器接收关于pH变化的通知并相应地向计算单元转送信号的控制器。以这种方式，由一个或多个可寻址区域中的一个或多个物体的触摸引起的pH变化被报告给所述计算单元，允许用户通过在层上施加压力来与设备相交互。

在详细地解释本发明的至少一个实施例之前，应理解的是本发明在其应用方面不一定局限于在以下说明中阐述和/或在附图和/或示例中举例说明的组件和/或方法的构造和布置细节。本发明能够具有其它实施例或以各种方式来实施或执行。

现在对图1进行参考，其为根据本发明的一些实施例的通过诸如凝胶等溶液的多个区域中的分子浓度的选择性控制来进行数据呈现(可任选地为触觉呈现)的方法。首先，如在附图标记91处所示，提供了偏压设备，其允许可任选地选择性且同时地向包含诸如凝胶等溶液的容器的多个区域施加多个电流。例如，所述偏压设备可以包括电源，该电源连接到可选择性寻址的电极的阵列。该阵列可任选地定位于由水和多个高分子组成的溶液中。每个可选择性寻址的电极在溶液的相邻区域中和/或附近施加电场。可以用氧化或还原电位单独地使每个电极偏压。

还对图2A和图2B进行参考，其为根据本发明的一些实施例的定位于一层溶液18中并分别连接到电源27的可选择性寻址电极的示例性二维(2D)阵列26的侧视图和顶视图的示意图。可任选地，溶液层28被限制在柔性容器中。阵列26的每个电极102可任选地定位于可以称为字位、区域和/或像素102的可任选地有界的区域中。在图2A和图2B中描绘的示例性阵列26由电极102的10×10矩阵组成，每个电极102被选择性地通电，以通过水电解调制来改变和/或独立地保持区域中的酸性水平(pH)。可任选地，每个工作电极102与其他电极隔离，并被相对于分开的或公共的反电极103单独地偏压。在每两个电极之间，设置有传感器以监视与工作电极102相邻之处的局部pH。可任选地，每个工作电极102均分别地连接到控制器38，控制器38设计成用所选电位分别使所述工作电极偏压。

如在附图标记92处所示，提供了表示可感知内容的数据，在本文中称为可感知数据，诸如可视、可听、和/或触觉信息和/或刺激。本文所使用的，可感知数据意指图像、声音、一组各种变量、和/或具有一个或多个维度且可以被人或动物感知的任何其它数据。此类可感知数据可以是表示了符号、字符、词语、段落、图像、景象、诸如视频之类的一组图像、和/或任何其它表达方式的数字和/或模拟数据。可选任地，控制器38从诸如个人计算机、瘦客户端、个人数字助理(PDA)、智能电话和/或用于处理图像、符号、和/或任何其它可感知数据的任何其它计算单元之类的客户终端接收例如字和/或字符之类的可感知数据。

然后，如在附图标记93处所示，根据接收到的可感知数据来选择电极102中的一个或多个，以及可任选地，选择电压。此类选择允许用氧化或还原电位进行各自区域的偏压。可任选地，由控制器38来执行此选择。控制器38将所提供的可感知数据转换成一组电流，该电流被选择为在溶液层18中引起可感知数据的触觉呈现，例如下文所述。每个电极102的偏压使溶液中的区域电解，从而改变其中的pH，例如下文所述。

在此类实施例中，控制器38可以将由客户终端显示、记录和/或播放的字和/或字符自动地转换成用来创建各自拓扑结构的电流，所述拓扑结构在层的表面上提供各自的触觉呈现，如下文进一步所述。可任选地，在客户终端上执行转换并将其转送到控制器38。

如附图标记94处所示，此类选择性偏压根据所提供的可感知数据来改变溶液层18的各种区域中的pH水平。如附图标记95处所示，改变的pH水平引起溶液中的高分子的质子化或去质子化，促使溶液18的区域的一个或多个的触觉和/或拓扑特性改变。如本文所使用的，触觉和/或拓扑特性意指净电荷、结构、刚性系数、粘度系数和弹性系数。

在此类实施例中，采用各种氧化或还原电位的电极的选择性偏压在电极与附近溶液之间的接触区域处引起水电解。当施加氧化电位时，与质子一起形成氧气，如下所示：

公式1  2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-，

引起阳极表面附近的pH降低。

当施加还原电位时，形成氢气，如下所示

公式2  2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-，

留下与溶液中的质子重组而产生水并因此增加局部pH的羟基离子。应注意的是溶液与原始pH值的pH偏差取决于其缓冲量和离子强度。

pH影响溶液中的高分子的质子化。以这种方式，可以动态地控制触觉和/或拓扑特性。因此，通过使得能够实现电控的pH调制，溶液的水解允许操纵紧挨着电极/溶液界面的生物分子。

可任选地，所述溶液包括高氯化钠浓度。在此类实施例中，很可能用氯气释放来补充公式1中所述的反应。

当溶液包含质子和羟基离子时，可以将其在稳态下的浓度计算为位置函数，该位置函数通过求解以下泊松方程而计算：

公式3： $\stackrel{\→}{\mathrm{\Δ}}\·\left(\mathrm{\ϵ}\stackrel{\→}{E}\right)=4\mathrm{\πe}\left(\right[H^{+}]-[{\mathrm{OH}}^{-}\left]\right),$

以及用于离子速度

的耦合传递方程

公式4：

${\stackrel{\→}{v}}_H-\stackrel{\→}{u}={\mathrm{\μ}}_H(\stackrel{\→}{E}-\left(\frac{T}{e\·\left[H^{+}\right]}\right)\stackrel{\→}{\▿}\left[H^{+}\right]);$ ${\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{OH}}-\stackrel{\→}{u}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{OH}}(\stackrel{\→}{E}-\left(\frac{T}{e\·\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}\right)\stackrel{\→}{\▿}\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]).$

用以下公式和适当的流体动力学方程的生成/重组来补充这些公式：

公式5：

$\stackrel{\→}{\▿}\·\left(\right[H^{+}\left]{\stackrel{\→}{v}}_H\right)=\stackrel{\→}{\▿}\·\left(\right[{\mathrm{OH}}^{-}\left]{\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{OH}}\right)=-\stackrel{\→}{\▿}\·\left(\right[H_{2}O\left]\stackrel{\→}{u}\right)=-\mathrm{\Γ}\left(\right[H^{+}\left]\right[{\mathrm{OH}}^{-}]-K_W),$

在公式3～5中，ε表示水的介电常数，78，[量]表示对应于该量的浓度，Γ表示质子-羟基重组率，表示水流速度，并且K_W＝10^-14M²，表示水平衡常数，并且μ，T，e分别表示迁移率、以尔格(erg)为单位所测量的温度、以及质子电荷。

可任选地，如果溶液包括盐，则其离子通过类似于公式4的公式以及通过将其贡献结合到公式3中来加以考虑。可任选地，例如下文所述，如果添加缓冲剂，则要调整这些公式。

应注意的是在不存在电荷边界(electric charged boundary)的情况下，除由质子-羟基重组贡献的小组分之外，

消失。

可以用一组适当的边界条件数值地对公式求解。在电流是零且净生成/重组消失的情况下，平衡条件周围的公式的线性化提供该问题的一些相关长度比例，包括Debye-Huckle屏蔽长度(在相关溶液中为1～10nm)、质子-羟基重组长度(在中性溶液中达到～100nm)、缓冲剂组分的重组长度(其浓度和pH的函数)、以及系统相关长度。连同质子和羟基生成率一起，可以通过改变溶液的内含物和电极排列来微调这些长度以提供期望的pH模式。

如上所述，通过用氧化或还原电位使电极偏压来控制电极附近的pH。同样地，可以根据电极的电流来动态地、实时地改变pH。可任选地，根据系统的几何结构，达到一个区域的pH所花费的时间在1秒至几分钟范围内。

以这种方式，每个工作电极102可以实现时间pH模式且阵列可以实现时空pH模式。这些时间和时空pH模式用于触发时间和时空质子化模式，从而允许进行各种时间和时空触觉模式的触觉呈现，例如下文所述。

例如，如在附图标记96处所示，如果所提供的可感知数据具有时空模式，则根据时间模式以多个间隔来改变所述选择性通电。例如，如果所提供的可感知数据是句子，则可以改变层18的区域的触觉和/或拓扑特性(为简便起见在本文中将其称为触觉特性)以提供第一个字的触觉呈现。可任选地，层18包括具有一个或多个pH依赖特性的凝胶18。然后，可以改变触觉特性以提供第二个字的触觉呈现，以此类推。可任选地，以盲文符号来提供触觉呈现。

层18的面积和电极阵列26确定了可以在单次重复期间触觉地呈现给用户的数据量。例如，约1cm长和1cm宽的面积允许呈现诸如可以被用户的一个手指感觉到的字符之类的触觉信息。在另一示例中，约10cm长和10cm宽的面积则允许呈现表示基于视觉数据(例如地图)的段落或浮雕图案的触觉信息。可任选地，所述设备被设计为模拟器官的触觉。在这种实施例中，可以根据被设计为进行刺激的器官的面积来调整该面积，例如下文所述。

根据本发明的一些实施例，所述设备接收可感知数据，并且以相应地生成诸如变化梯度和/或拓扑结构之类的空间和/或时空变化的质子浓度模式，用于数据的触觉呈现。

在此类实施例中，可选择性寻址的电极阵列26定位于溶液18中，其被可任选地散布为一层pH敏感材料，具有可触觉地感测的电动响应的pH性质。可任选地，溶液18包括pH敏感材料具，该材料有pH依赖的粘度、刚性和/或体积，例如SJ Kim、SG Yoon、YH Lee、SI Kim在Bending behavior of hydrogels composed of poly(methacrylic acid)and alginate by electrical stimulus，Polymer International，53，1456-1460(2004)中所述，其通过引用结合到本文中。

可任选地，层18被涂敷或基本上被涂敷有保护层以保护pH敏感材料不受撞击、磨损和/或污染。例如，保护层可以是可任选地在0.1mm与1.0mm厚度之间的一层胶乳橡胶。

可任选地，接收到的可感知数据将空间模式例如定义为数字图像。接收到的空间模式被转换成一组电流，该一组电流中的每一个至阵列26中的电极之一。如上所述，不同的电流引起邻近于电极的区域中的pH。以这种方式，电流引起与在接收到的数据中定义的空间模式类似、基本类似、或相同的拓扑结构或梯度的生成。可任选地，接收到的数据表示符号，诸如字符。以这种方式，具有2D阵列26的设备10可以用于选择性地形成盲文字形。

可选地，每个像素102包括用于检测阵列26的各自电极中或附近处的当前pH的pH传感器34。可任选地，pH传感器34是测量其附近处的pH的离子敏感场效应晶体管(ISFET)，参见P.Bergveld Em的“ISFET，Theory and Practice”，IEEE Sensor Conference Toronto(2003)，其通过引用结合到本文中。在此类实施例中，可以根据各自区域处的测量pH与期望pH之间的差来确定和/或调整施加于每个电极26的电压。这样的pH传感器充当了反馈控制环路，其确保了实际pH到期望值的会聚。在一些此类实施例中，pH传感器可以用于通过使上文所讨论的上述操作机制逆转来检测用户的触摸。特别地，当层18的一个或多个区域被例如用户的手指或触针的触摸挤压时，内部材料的体积随后减小。此类减小改变了层中的质子分散和各自区域中的质子浓度。该变化影响pH并因此被pH传感器34检测到，与上文所述类似。例如通过将各自信号转送到屏幕的计算单元，所检测的变化被转送到可以对pH变化作出反应的控制器38。在此类实施例中，凝胶是透明的，因此可以通过该凝胶来呈现视觉信息。

另外或替换地，每个像素或一组像素包括用于检测其附近的溶液流的流量变化的流量传感器。如上所述，层18包括溶液。当在流量传感器之上的层18上施加压力时，溶液被置于运动中。对于此运动的检测指示了压力。可任选地，运动的强度被转换成所施加压力的强度，从而允许流量传感器在具有不同施加压力的触摸之间进行区分。例如，所述流量传感器是由Sensirion制造的CMOSens

流量传感器，其说明书通过引用结合到本文中。

可任意选地，所述溶液包括pH指示剂，诸如加酸显色的化学化合物，使得由其颜色来指示溶液的各种区域的pH。例如，pH指示剂可以是具有3～4.6的pH范围的溴酚蓝和具有7.2～8.8的pH范围的甲酚红。

如上所述，在某个区域处施加的压力改变其中的pH。在此类实施例中，当用户触摸一个或多个区域时，其pH改变且各自区域中的pH指示剂改变其颜色。此类颜色变化可以用来指示用户的触摸是否在层上施加足够的压力。在此类实施例中，可以以这样的方式来选择pH指示剂，即溶液在与由上述pH传感器所感测的pH变化类似的pH变化中改变其颜色。

现在还对图3A和图3B进行参考，其示出根据本发明的一些实施例的多个空间或时空模式的选择性触觉呈现的设备的示意图。类似于图2A和图2B所描绘的设备10，设备48包括可选择性寻址电极的阵列26和控制器38。

图3A描绘了包括二维平面电极阵列26、反电极24和电解室30的动态触觉人机接口设备48。可任选地，阵列26包括工作电极阵列，诸如网状电极。应注意的是，虽然所描绘的阵列包括工作电极26的27×27正方形阵列，但是可以提供工作电极26的任何其它阵列，例如27×54、81×81、512×512和1024×256和/或任何其它电极阵列。可任选地，所述电极由铂或金制成。阵列26定位于示例性外壳12中、位于层18下面，层18可任选地是具有pH依赖特性的凝胶。如上所述，层18可任选地被保护层54覆盖。可任选地，膜20定位于阵列26与层18之间。膜20允许离子和水分子在凝胶层18与电解室30之间基本自由地经过。可任选地，膜20是具有5微米孔的亲水性聚偏二氟乙烯(PVDF)膜，例如美国马萨诸塞州比尔里卡的Millipore公司的Durapore(SVLP04700)膜，其说明书通过引用结合到本文中。该膜被定位为物理地支撑层18并允许离子和水分子在层18与电解室30之间经过。

在图3A～3B中描绘的电极阵列26生成二维质子浓度拓扑结构，可以将其理解为质子在溶液18内部的分布。电极阵列26定位成平行于包括一个或多个铂片的反电极24，所述一个或多个铂片被与阵列26的可单独控制的工作电极26A～26j平行地或基本平行地安装。可任选地，每个可单独控制的工作电极26A～26j包括导电网，诸如铂网，其例如具有0.1mm粗的导线并带有0.1mm的间隙。可任选地，每个工作电极26A～26j被一个或多个工作电极分离器与相邻的工作电极26A～26j分开。可任选地，所述工作电极分离器是薄玻璃壁。工作电极26与膜20分开约0.5mm的距离并与反电极24分开约4mm的距离。

可任选地，电解室30充满电解液体，例如包括0.1M的硫酸钠(Na₂SO₄)的溶液。

设备48的控制器38激活电极阵列26的单独工作电极，以在层内生成例如以盲文所写的字符、符号、字和/或句子、以及触觉感受刺激的期望质子浓度拓扑结构，例如下文所述。

当使用设备10时，可以根据接收到的数据使电极26偏压。例如，电源控制器38根据接收到的指令在反电极24与每个工作电极26a～26j之间生成所选电流。以这种方式，在反电极24与工作电极26a～26j中的每一个之间的电解室30中生成电动力。例如，所选电流可以在0与约5mA cm^-2之间。可任选地，所述电动力在0V与约20V之间。电极26的偏压与上文所述类似地在电解室30中引起质子浓度。与上文所述和在附图标记94处所示类似地，电解室30中的凝胶18的每个区域中的pH受到用氧化或还原电位进行的电极26的偏压的影响。以这种方式，可以根据相邻电极的电荷来动态地且单独地、实时地改变电解室30中的凝胶18的每个区域中的pH。此质子浓度引起离子和水去往和/或来自凝胶层18的经过，从而以各自的方式改变其中的质子浓度。在层18的区域中分别形成不同的pH且其影响这些区域的刚性、粘度和/或弹性系数。以这种方式，触摸设备48的层18或保护层54的人将感受到层的拓扑结构。

图3B描绘另一触觉人机接口设备58。设备58与图3中所描绘的设备48类似，然而，在图3B中，阵列26是凸起的。应注意的是，阵列26可以以任何其它方式弯曲，例如以凹陷模式、倾斜模式和/或波状模式弯曲。

在此类实施例中，设备19使用对电刺激和触觉刺激都进行响应的能力来向用户提供交互式人机接口(MMI)，诸如输入和输出触觉设备。设备10可以将一个区域上的局部质子浓度转换成在同一或另一区域中的局部产生的质子浓度。如上所述，所产生的质子浓度效应引起触觉的可感测效应。此类触觉的可感测效应可以允许模拟生物组织或另一元件对人触摸的响应。

如上所述，设备使用电极的阵列26来以电化学方式影响对此浓度敏感的层18附近的质子浓度，并作为响应改变其体积或拓扑结构。可任选地，电极的阵列26被设计为控制与质子浓度无关的层的性质。例如，在一些实施例中，用以电化学方式释放阴离子的单元来取代电极阵列26，且层18可以包括对阴离子浓度敏感的材料。例如，所述单元可以包括在受到电刺激时释放阴离子的聚吡咯聚合物，例如WADHWA Reecha等人在electrochemically controlled release of dexamethasone from conducting polymer polypyrrole coated electrode，Journal of Controlled Release 2006，110，531～541中所述并参见该文，其通过引用结合到本文中，并且该层包括在离子浓度变化时膨胀和收缩的阴离子共聚物凝胶，参见Atul R.Khare等人的Swelling/deswelling of anionic copolymer，Biomaterials 1995，16，559～567，其通过引用结合到本文中。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58允许例如通过形成盲文字母字形来向诸如视力受损用户之类的用户进行数据的触觉呈现。可任选地，触觉人机接口设备10、48、58允许在具有弱光或低可见度电话的区域中向使用诸如照相机、科学设备和蜂窝电话等设备的用户进行数据的触觉呈现。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58允许在不要求用户转动其眼睛的情况下向用户呈现数据。在此类实施例中，设备10、48、58可以被集成到被用户触摸的手动控制设备，例如操纵杆、触摸屏、按钮、键盘及小键盘、用户所穿的衣服、和/或与用户身体接触的任何其它元件。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58被设计为模拟触觉感受。例如，触觉人机接口设备10、48、58可以用于例如通过将设备集成到移动通信设备、游戏台和个人助理设备的人机接口(MMI)来向参与游戏活动或使用交互式应用的用户呈现触觉反馈。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58被设计为模仿元件的纹理或拓扑结构，该元件例如在虚拟和/或增强显示中被显示给用户。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58是弹性的。在此类实施例中，电极阵列26由诸如不锈钢或磷青铜等的弹性材料制成，允许其根据各种曲率(例如根据人的轮廓)来弯曲。在此类实施例中，所述设备可以是可穿戴设备，诸如手套、袖子、衬衫、裤子、帽子、和/或任何其它衣物。在此类实施例中，可感知数据可以是触觉感受，诸如粗糙度、纹理，振动压力、痒感和摩擦。该感觉可以模仿元件和/或器官的触摸和/或身体反应。可任选地，可感知数据是诸如人触摸之类的触觉感受的时空模式。例如，如果所述设备是袖子，则可以依次改变各种区域的刚性和弹性，以模仿击打、人触摸、抓握和/或穿戴有袖子的手上的任何其它触摸。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58被定位为诸如触摸屏之类的屏幕上的层。在此类实施例中，触觉人机接口设备10、48、58由透明或基本透明的材料制成。在此类实施例中，拓扑结构可以基于在屏幕上呈现的图像。以这种方式，用户可以接收在屏幕上呈现的纹理或面形(terrain)的触觉模仿。

另外或替换地，根据本发明的一些实施例，设备10、48、58被用作具有可调整光学性质的光学层。在此类实施例中，层18通过例如改变层18的表面的模式来以光学方式改变屏幕的显示。可任选地，通过改变一个或多个区域中的层18的拓扑结构来执行所述改变。所述改变可以是该区域相对于另一区域的高度方面的数微米偏差和/或该区域的曲线或梯度的微米级变化。

这些变化影响从屏幕反射光和/或使光转向的方式。可任选地，层18可以改变屏幕的反射性质，例如从减反射的和不光滑的变为发亮且反射的。可以通过调整层的拓扑结构来改变显示的其它性质，例如明亮度。应注意的是，除上述触觉变化之外或作为其替代，可以进行对此类光学性质的改变。

可任选地，所述屏幕是显示了诸如小键盘等接口的触摸屏。在此类实施例中，触觉人机接口设备10、48、58为用户提供了对所显示的接口的组件的触觉感受，诸如不同按钮的触觉感受。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58被用作输入设备，诸如用户设备的小键盘。可任选地，输入元件是上述pH传感器。在此类实施例中，可以根据可任选地如上所述定义的层的拓扑结构来确定小键盘的按钮的标识符。在此类实施例中，可以例如根据在用户设备上执行的应用程序动态地改变按钮的触觉呈现。例如，如果用户设备是蜂窝式电话，则可以将小键盘从拨号小键盘变成计算器应用的小键盘和/或照相机小键盘，反之亦然。

可任选地，触觉人机接口设备10、48、58包括网络接口、或者包括到使用此类网络接口的计算单元的连接，用于允许控制器38从远程客户终端或网络节点接收可感知数据。在此类实施例中，可以将由第一网络节点进行的元件的三维(3D)扫描转送到控制器38，从而允许设备10、48、58如上所述根据接收到的可感知数据来确定层18的拓扑结构的形状。以这种方式，可以使用设备10物理地模仿由第一网络节点使用的3D扫描仪所扫描的元件，该设备10连接到或充当接收各自3D扫描的第二网络节点。

可以预期在本专利从申请开始至到期的专利的有效期期间，将开发许多相关系统和方法，并且术语膜、pH传感器、凝胶和控制器的范围意在预先包括所有此类新技术。

本文所使用的术语“约”指的是±10％。

术语“包括”、“包含”、“具有”及其同根变形词意指“包括但不限于”。此术语涵盖术语“由…组成”和“基本由…组成”。

短语“基本由…组成”意指组合物或方法可以包括附加成分和/或步骤，但唯一的条件是该附加成分和/或步骤不在实质上改变所主张的组合物或方法的基本和新颖特性。

如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数引用，除非上下文清楚地另有所指。例如，术语“一个化合物”或“至少一个化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。

词语“示例性”在本文中用来意指“充当示例、实例或例示”。被描述为“示例性”的任何实施例不必被理解为相对于其它实施例而言是优选或有利的，和/或排除其它实施例包括一些特征。

词语“可任选地”在本文中用来意指“在一些实施例中提供且在其它实施例中未提供”。本发明的任何特定实施例可以包括多个“可任选”特征，除非此类特征冲突。

遍及本申请，可以以范围格式呈现本发明的各种实施例。应注意的是，以范围格式的说明仅仅是为方便和简洁起见，且不应将其理解为对本发明的范围的不灵活限制。因此，应将范围的说明视为具有特别公开的所有可能子范围以及该范围内的单独数值。例如，应将例如从1至6的范围的说明视为具有诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6、从3至6等特别公开的子范围，以及在该范围内的单独数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围的宽度如何，这都适用。

每当在本文中指示数值范围时，意图包括所指示范围内的任何引用数字(分数或整数)。短语“在第一指示数字与第二指示数字之间的范围”和“在从第一指示数字到第二指示数字的范围”在本文中被可互换地使用，并意图包括第一和第二指示数字及其之间的所有分数和整数数字。

应认识到，为了清楚而在不同实施例的上下文中描述的本发明的某些特征还可以在单个实施例中相组合地提供。相反，为了简洁起见而在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征还可以分开地提供，或以任何适当的子组合，或以在本发明的任何其它所述实施例中适当的方式提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不应被视为那些实施例的本质特征，除非该实施例在没有那些元素的情况下不起作用。

虽然已结合其特定优选实施例特别地描述了本发明，但很明显，许多替换、修改和变更对于本领域的技术人员来说将是明显的。因此，意图涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替换、修改和变更。

如上文所描述以及如所附权利要求中所要求的本发明的各种实施例和方面将在下文的示例中找到实验性支持。

虽然已结合其特定优选实施例特别地描述了本发明，但很明显，许多替换、修改和变更对于本领域的技术人员来说将是明显的。因此，意图涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替换、修改和变更。

本说明书中所提及的所有公开、专利和专利申请的全部内容通过引用并入本文中，如同每个单独的公开、专利或专利申请被具体地且单独地指示通过引用而被结合一样。另外，不应将本申请中的任何参考文献的引用或识别理解为认可此类参考文献可用作本发明的现有技术。在使用小节标题的程度上，不应将其理解为必须是限制性的。

Claims (24)

1.一种用于可感知内容的触觉呈现的方法，包括：

接收表示可感知内容的数据；

根据所述数据来选择多个电流，每个所述电流与具有多个高分子的溶液中的多个区域中的至少一个相关联；以及

通过向所述多个区域中的至少一个施加各自的所述电流来改变所述多个区域中的至少一个的酸性水平pH；

其中，所述多个区域中的质子浓度触觉地呈现所述可感知内容。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述改变包括使定位于所述溶液中的多个电极偏压以执行所述改变。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述可感知内容具有时空模式；还包括重复所述改变和所述触觉地呈现，以模拟所述时间模式。

4.如权利要求1所述的方法，其中，通过改变邻近于所述溶液处的质子浓度以引起来自或去往所述溶液的离子运动来执行所述改变。

5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述溶液后面显示所述数据。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述改变包括测量所述至少一个区域中的每一个中的所述pH并根据所述测量来执行所述改变。

7.一种用于可感知内容的触觉呈现的装置，包括：

层，其具有至少一个pH依赖特性；

控制器，其被配置为用于接收表示可感知内容的数据并根据所述数据来选择多个电流；以及

多个电极，其被配置为用于通过同时向所述层的多个区域施加所述多个电流来改变所述层的多个区域中的酸性水平pH；

其中，所述施加改变了每个所述区域中的所述至少一个pH依赖特性，以便使得所述层触觉地呈现所述可感知内容。

8.如权利要求7所述的装置，其中，由所述控制器来单独地控制每个所述电极。

9.如权利要求7所述的装置，其中，所述层包括凝胶。

10.如权利要求7所述的装置，其中，所述层和所述电极的阵列是弹性的。

11.如权利要求7所述的装置，其中，根据将布置在至少一个人体器官上来确定所述层和所述电极的阵列的尺寸和形状；所述可感知内容是施加在所述至少一个人体器官上以引起触觉感受的触觉模式。

12.如权利要求7所述的装置，还包括多个流量传感器，所述多个流量传感器的每一个均被配置为用于检测所述多个区域的各自区域中的溶液流量，所述控制器被配置为用于响应于所检测的溶液流量来指示所述各自区域中的触摸。

13.如权利要求7所述的装置，其中，所述层包括至少一个pH指示剂，所述至少一个pH指示剂被配置为用于在各自的所述pH改变时在每个所述区域中改变其颜色。

14.如权利要求7所述的装置，还包括多个pH传感器，所述多个pH传感器的每一个被配置为用于测量所述多个区域的各自区域中的所述pH，所述控制器被配置为用于根据所述多个pH传感器来调整所述多个电流。

15.如权利要求14所述的装置，其中，每个所述pH传感器被配置为用于通过执行所述测量来检测施加在各自的所述区域上的压力。

16.如权利要求14所述的装置，其中，所述可感知内容是从与所述控制器通信的外部设备接收到的指示。

17.如权利要求14所述的装置，其中，所述控制器将所述可感知内容转换成至少一个浮雕图案，根据所述至少一个浮雕图案来选择所述多个电流，以便使得所述层触觉地呈现所述至少一个浮雕图案。

18.如权利要求7所述的装置，其中，所述多个电极被布置成如下结构，该结构具有选自由凸起模式、凹陷模式和波状模式组成的组中的模式。

19.如权利要求7所述的装置，还包括屏幕，所述屏幕定位于所述层下面并被配置为用于显示与所述可感知内容有关的图像。

20.如权利要求7所述的装置，还包括输入设备，所述输入设备定位于所述层下面并被配置为用于在所述触觉呈现期间检测施加在所述层上的压力。

21.一种用于在凝胶层中进行可感知内容的触觉呈现的装置，包括：

凝胶层，其具有至少一个pH依赖特性；

多个电极；

膜，其在所述凝胶与所述电极的阵列之间进行分隔；

至少一个反电极；

电室，其在所述至少一个反电极与所述电极的阵列之间形成；以及

控制器，其被配置为用于接收表示可感知内容的数据并根据所述数据使所述电极的阵列偏压，以改变所述电室中的质子浓度；

其中，所述质子浓度通过所述层的离子经由所述膜的经过从而在所述层中引发各自的质子浓度，使得所述层触觉地呈现所述可感知内容。

22.一种数据输入设备，包括：

层，其具有至少一个pH依赖特性并具有多个可寻址区域；

多个pH传感器，其每一个均定位所述多个可寻址区域之一，并被配置为用于检测其中的pH变化；以及

控制器，其被配置为用于从各自的所述pH传感器接收关于所述pH变化的通知，并向计算单元转送表示了所述pH变化的信号；

其中，所述pH变化由至少一个物体对各自的所述可寻址区域的触摸引起。

23.如权利要求22所述的数据输入设备，其中，所述层包括至少一个pH指示剂，所述至少一个pH指示剂被配置为用于响应于所述pH变化在各自的所述区域中改变其颜色。

24.一种用于改变显示的光学元件，包括

层，其具有至少一个pH依赖特性；

控制器，其被配置为用于接收表示模式的数据并根据所述数据来选择多个电流；以及

多个电极，其被配置为用于通过同时向所述层的多个区域施加所述多个电流来改变所述层的多个区域中的酸性水平pH；

其中，所述施加改变了每个所述区域中的所述至少一个pH依赖特性，从而所述层的至少一个光学性质被改变。

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