觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景淺析

朱應(yīng)釗

(中國(guó)電信股份有限公司研究院，廣州 510630)

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異，繼固定互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)之后，觸覺互聯(lián)網(wǎng)又被提出來(lái)。最初的固定互聯(lián)網(wǎng)可以簡(jiǎn)單理解為將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接起來(lái)。后來(lái)，由于互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)性嚴(yán)重受限，人們使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)很不方便，則移動(dòng)通信網(wǎng)和固定互聯(lián)網(wǎng)相互融合形成移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)[1]。慢慢地，僅人與人之間的連接交流已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求，能實(shí)現(xiàn)人與物、物與物連接交互的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)備受關(guān)注[2]。為了能實(shí)現(xiàn)更高層次的遠(yuǎn)程連接和傳遞觸覺，且能保證低延遲、高可靠、高連接密度、高安全性的通信條件，世界各地眾多科研人員對(duì)觸覺互聯(lián)網(wǎng)也展開了深入研究，觸覺互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)重要的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 觸覺互聯(lián)網(wǎng)概述

早在2014年，F(xiàn)ettweis已提出觸覺互聯(lián)網(wǎng)[3]，當(dāng)時(shí)他將觸覺互聯(lián)網(wǎng)定義為要求往返時(shí)延極低，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制和操縱真實(shí)或虛擬物體的使能技術(shù)。

觸覺互聯(lián)網(wǎng)讓遠(yuǎn)程觸覺傳遞成為可能(見圖1)。由于觸覺是一種抽象的感官數(shù)據(jù)，需要通過(guò)傳感器進(jìn)行采集，其中可捕獲的觸覺數(shù)據(jù)包括壓感、接觸點(diǎn)位置、溫度、濕度等。觸覺數(shù)據(jù)要進(jìn)一步編碼成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的二進(jìn)制形式才可以經(jīng)由觸覺網(wǎng)絡(luò)往遠(yuǎn)處傳遞。遠(yuǎn)端從觸覺網(wǎng)絡(luò)接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)解碼成原來(lái)的形式，并借助傳感器實(shí)現(xiàn)讓遠(yuǎn)程人員感受到觸覺。

圖1 遠(yuǎn)程觸覺傳遞

Ateya[4]提出一種新的基于多層云的蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以支持觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。該方法設(shè)計(jì)了4層云結(jié)構(gòu)：第一級(jí)是微云(Micro-Clouds)，即一個(gè)小型數(shù)據(jù)中心，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)小區(qū)都有一個(gè)連接到其基站的微云；第二級(jí)是小型云(Mini-Clouds)，由更大的數(shù)據(jù)中心組成，負(fù)責(zé)管理自己組內(nèi)的微云單元，以及完成微云單元不能執(zhí)行的任務(wù)；第三級(jí)是核心網(wǎng)絡(luò)云(Core Network Cloud)，有著更高的處理能力和存儲(chǔ)能力，負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的小型云，也作為進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)前的網(wǎng)關(guān)；第四級(jí)是遠(yuǎn)程公共云，這些遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)中心即為最后的層次。Hamzeh[5]提出一種光纖無(wú)線增強(qiáng)型LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，充分考慮了時(shí)分復(fù)用與波分復(fù)用。Neaime[6]提出一種光云分布網(wǎng)絡(luò)(Optical Cloud Distribution Network，OCLDN)架構(gòu)，采用一種新的動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)和帶寬分配方案，以指定上行波長(zhǎng)的方式達(dá)到觸覺服務(wù)的QoS要求，且可以實(shí)現(xiàn)信道間統(tǒng)計(jì)復(fù)用。為此，能在保證觸覺服務(wù)QoS要求下最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量服務(wù)。IEEE P1918.1標(biāo)準(zhǔn)工作組成立于2016年3月，旨在定義觸覺互聯(lián)網(wǎng)框架的參考架構(gòu)。IEEE P1918.1架構(gòu)于2019年問(wèn)世，該架構(gòu)主體由兩部分組成，分別為觸覺邊緣與網(wǎng)絡(luò)域，遵循控制與數(shù)據(jù)分離、模塊化等設(shè)計(jì)原則[7]。

2 觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

觸覺互聯(lián)網(wǎng)讓遠(yuǎn)程傳遞觸覺成為可能，在人機(jī)交互的智能空間中新增觸覺反饋，且能保證人與機(jī)器在超低延時(shí)、極高可靠性及超強(qiáng)安全性的條件下實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺等感官信息的互動(dòng)。觸覺互聯(lián)網(wǎng)作為一種具備“里程碑”意義的創(chuàng)新技術(shù)，可賦能醫(yī)療、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能和教育等領(lǐng)域，拓展出更多的應(yīng)用場(chǎng)景。本文將深入探討觸覺互聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)程手術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛、電子商務(wù)、教育培訓(xùn)及情感交流等場(chǎng)景上的應(yīng)用。

2.1 遠(yuǎn)程手術(shù)與遠(yuǎn)程診斷

遠(yuǎn)程手術(shù)在很大程度上突破了醫(yī)生所在地的限制，有助于患者隨時(shí)隨地享受優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。尤其是對(duì)于部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)?shù)卦\所或醫(yī)院可能會(huì)缺乏某些科室的專家醫(yī)生；甚至有時(shí)候某些患者的病情很緊急，根本不夠時(shí)間送往遠(yuǎn)距離醫(yī)院去治療等，這些情況對(duì)遠(yuǎn)程手術(shù)的需求都十分迫切?！斑_(dá)芬奇”手術(shù)系統(tǒng)是其中一個(gè)應(yīng)用較廣泛的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由外科醫(yī)生控制臺(tái)、機(jī)械臂、攝像臂及手術(shù)器械構(gòu)成的手術(shù)臺(tái)與成像平臺(tái)組成[8]。雖然“達(dá)芬奇”手術(shù)系統(tǒng)可以放大20倍三維成像，讓整個(gè)微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程變得更清晰，且精確性更高，但“達(dá)芬奇”手術(shù)系統(tǒng)僅能反饋視覺信息給醫(yī)生。面對(duì)這樣的情況，在控制臺(tái)操作的醫(yī)生只可以依據(jù)視覺信息判斷器械對(duì)組織的作用力或其他特性[9]，這無(wú)疑提高了手術(shù)的不確定性，甚至存在一定的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為此，現(xiàn)有手術(shù)機(jī)器人的不足除了成本極高之外，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)觸覺反饋，醫(yī)生無(wú)法在控制臺(tái)上感受到手術(shù)過(guò)程中的手感，可能會(huì)導(dǎo)致某些手術(shù)操作存在細(xì)微的偏差。而觸覺互聯(lián)網(wǎng)可以解決該問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸覺反饋的有效傳送，且觸覺互聯(lián)網(wǎng)有著超低延時(shí)的特性，醫(yī)生可以在很遠(yuǎn)的地方操控控制臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)，打破了距離的限制，讓更多醫(yī)療資源能作用到以前無(wú)法覆蓋的末梢地區(qū)?；谟|覺互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程手術(shù)，醫(yī)生可在控制臺(tái)處操作和接收實(shí)時(shí)聽覺、視覺和觸覺反饋。而患者處的手術(shù)機(jī)器人根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)生發(fā)來(lái)的指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，并實(shí)時(shí)生成聽覺、視覺和觸覺反饋。Meryem[10]和Adnan[11]都提出了基于邊緣的體系結(jié)構(gòu)用于遠(yuǎn)程手術(shù)的觸覺互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

觸覺互聯(lián)網(wǎng)對(duì)遠(yuǎn)程診斷也會(huì)有很大的幫助。我國(guó)的中醫(yī)講究“望、聞、問(wèn)、切”，其中“切”是指摸脈象，摸脈象就需要將病人脈搏的快慢、強(qiáng)弱、深淺等觸覺信息反饋給中醫(yī)師。另外，不論中醫(yī)還是西醫(yī)，對(duì)于部分疾病，醫(yī)生需要對(duì)病人的特定部位摸一摸、按一按來(lái)綜合其他因素進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷是否患病。例如，針對(duì)某些癌癥患者，通過(guò)摸可以感受到腫瘤的硬塊。觸覺互聯(lián)網(wǎng)可以將診斷過(guò)程中的一系列觸覺反饋給醫(yī)生，有助于提高醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確性。除了遠(yuǎn)程手術(shù)和遠(yuǎn)程診斷，觸覺互聯(lián)網(wǎng)還能用于醫(yī)療保健領(lǐng)域中的遠(yuǎn)程康復(fù)、遠(yuǎn)程超聲檢查等眾多場(chǎng)景。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)可以被理解為是一種可以模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境、創(chuàng)建沉浸式虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[12]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)其中一個(gè)特征是沉浸性，即希望讓用戶在三維虛擬空間中獲得視覺、聽覺和觸覺等多器官沉浸式感受，真正融入到虛擬環(huán)境里，而無(wú)法判斷自身是否已經(jīng)離開了所處的外部環(huán)境[13]。為此，在VR中實(shí)現(xiàn)觸覺傳遞是提高真實(shí)感的重要舉措之一。通過(guò)觸覺互聯(lián)網(wǎng)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)共享的觸覺虛擬環(huán)境。多個(gè)用戶通過(guò)模擬工具進(jìn)行物理耦合，感受視、聽及觸覺反饋，有序協(xié)作和執(zhí)行任務(wù)[10]。觸覺互聯(lián)網(wǎng)有助于VR提供更優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)實(shí)現(xiàn)將虛擬信息有機(jī)疊加于真實(shí)世界中，讓它們能夠在同一時(shí)間、同一空間里呈現(xiàn)?，F(xiàn)有AR技術(shù)在人機(jī)交互方面一般都是通過(guò)操作鍵盤或鼠標(biāo)，這樣交互方式的體驗(yàn)感不好。相比之下，若用戶直接戴上可穿戴設(shè)備或徒手交互即可感受到相應(yīng)的觸覺反饋，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互體驗(yàn)感會(huì)更好。觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，不僅能實(shí)現(xiàn)觸覺的傳遞，更能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)容和最新信息的可視化，會(huì)給人們?cè)诤芏喙ぷ魃隙紟?lái)便利，例如設(shè)計(jì)師在虛擬空間中操作3D模型的精確性變得更好、真實(shí)感變得更強(qiáng)；針對(duì)流水線上復(fù)雜的裝配任務(wù)，在當(dāng)前部件需要放置的位置上生成部件的虛擬影像，且當(dāng)工人將該部件裝配有偏差時(shí)，也會(huì)感受到對(duì)應(yīng)的觸覺反饋。

2.3 自動(dòng)駕駛

國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)(Society of Automotive Engineers，SAE)將自動(dòng)駕駛分為6個(gè)等級(jí)[14]，分別是L0～L5(見表1)。雖然L4高度自動(dòng)駕駛和L5完全自動(dòng)駕駛還難以實(shí)現(xiàn)，但L2部分自動(dòng)駕駛和L3條件自動(dòng)駕駛很快就可以商用了。L3的周邊監(jiān)控都是由系統(tǒng)完成，觸覺互聯(lián)網(wǎng)有助于車輛形成更完備的感應(yīng)系統(tǒng)，提高對(duì)視、聽、觸覺等信息感應(yīng)，以及車輛之間的協(xié)同。另外，面對(duì)部分復(fù)雜情況或突發(fā)惡劣狀況，L2和L3需要駕駛員來(lái)接管。如果駕駛員一直呆在車上等待接管，會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。為此，L2和L3的接管可以通過(guò)觸覺互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)處駕駛員進(jìn)行遠(yuǎn)程接管。觸覺互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)為遠(yuǎn)程的駕駛員反饋踏板、方向盤、背部、臀部等觸感及視聽覺信息，遠(yuǎn)程駕駛員更能理解當(dāng)前的駕駛狀況，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)駕駛動(dòng)作，有效接管車輛，保證車輛行駛安全。

表1 自動(dòng)駕駛分級(jí)

2.4 電子商務(wù)

目前，網(wǎng)上商城、直播帶貨等電子商務(wù)異?；鸨Ｔ谶@些電子商務(wù)營(yíng)銷的過(guò)程中，消費(fèi)者僅獲得視覺和聽覺上的感知，無(wú)法感受到商品的觸感，但往往觸感有助于激發(fā)消費(fèi)者沖動(dòng)性購(gòu)買的意愿[15]。觸覺感知是促進(jìn)營(yíng)銷的重要法寶之一，能傳達(dá)出正式語(yǔ)言無(wú)法傳遞的意義和內(nèi)容，從而加強(qiáng)企業(yè)與消費(fèi)者之間的互動(dòng)[16]。另外，消費(fèi)者經(jīng)常在收到貨物后由于對(duì)其質(zhì)地不滿意要求退貨、退款，買家或賣家還得虧掉退貨郵寄的運(yùn)費(fèi)或運(yùn)費(fèi)險(xiǎn)。出現(xiàn)這樣的退貨問(wèn)題通常是因?yàn)橄M(fèi)者在網(wǎng)上買之前沒(méi)有體驗(yàn)到商品的質(zhì)地、紋理等觸覺特性，導(dǎo)致真正摸到的實(shí)物與網(wǎng)上看到的出現(xiàn)很大偏差。未來(lái)可以考慮將商品的觸覺特性編碼成對(duì)應(yīng)的觸覺數(shù)據(jù)，跟其他視頻、音頻數(shù)據(jù)類似，可存儲(chǔ)于網(wǎng)站服務(wù)器上。消費(fèi)者通過(guò)觸覺互聯(lián)網(wǎng)查看該商品時(shí)，一系列數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到他的設(shè)備上，并以虛擬影像模型的方式呈現(xiàn)于消費(fèi)者面前，滿足消費(fèi)者多感官購(gòu)物體驗(yàn)。

2.5 教育培訓(xùn)

觸覺對(duì)于教育培訓(xùn)也是比較重要的，尤其是對(duì)于樂(lè)器、繪畫、書法等興趣技能學(xué)習(xí)。一般都是以現(xiàn)場(chǎng)授課的方式進(jìn)行，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)授課時(shí)，如彈鋼琴，老師可以指點(diǎn)觸控按鍵學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果會(huì)比較好。若通過(guò)觸覺互聯(lián)網(wǎng)，老師和學(xué)生不再需要聚集在同一個(gè)地方，學(xué)生的按擊效果經(jīng)過(guò)觸覺傳感器和觸覺互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳遞到遠(yuǎn)程老師的設(shè)備上，同理，學(xué)生也可以實(shí)時(shí)感受到遠(yuǎn)程老師的正確指法按擊，即手指擊鍵的觸感和每個(gè)音的起止時(shí)間。觸覺互聯(lián)網(wǎng)讓各類技能性遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、培訓(xùn)變得十分便利，不再受地域限制。

2.6 情感交流

對(duì)于留守兒童、空巢老人或是異地的戀人等，溝通、交流、陪伴往往是他們最希望的。由于工作、讀書等因素，人們難以長(zhǎng)時(shí)間聚在一起，更多是通過(guò)遠(yuǎn)程視頻這種方式見面、談心。人們通過(guò)遠(yuǎn)程視頻能看到畫面和聽到聲音，可現(xiàn)有遠(yuǎn)程視頻的交流方式與面對(duì)面交流相比，還是缺乏“溫度”的。借助觸覺互聯(lián)網(wǎng)，人們?cè)谶h(yuǎn)程視頻時(shí)，不僅能看到對(duì)方的樣子、聽到對(duì)方的聲音，還能感受到對(duì)方肌膚的觸感、身上的溫度。打破距離的界限，人們遠(yuǎn)程之間也能享受到握手、擁抱、搭肩等動(dòng)作的喜悅?；谟|覺互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程視頻情感交流可以變得更為真實(shí)、溫馨，而不再是僅僅對(duì)著一個(gè)冷冰冰的終端屏幕。

3 結(jié)束語(yǔ)

觸覺互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的又一次演進(jìn)，蘊(yùn)藏著巨大的商業(yè)價(jià)值，但目前要實(shí)現(xiàn)觸覺互聯(lián)網(wǎng)仍面臨眾多挑戰(zhàn)。在觸覺互聯(lián)網(wǎng)中，有視覺、聽覺及觸覺等多模態(tài)感官信息，這些不同模式的信息在采樣頻率與傳輸速率等方面存在差異，跨模態(tài)異步是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)出一套高效的多路復(fù)用方案。目前，大多數(shù)的研究是在傳輸層或應(yīng)用層進(jìn)行?；趥鬏攲拥姆桨甘轻槍?duì)TCP或UDP協(xié)議進(jìn)行開發(fā)[17]，而基于應(yīng)用層的方案更偏向有效編碼和自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)復(fù)用[18]。未來(lái)，為了提高復(fù)用性能和適應(yīng)無(wú)線環(huán)境，可以往跨不同協(xié)議層的方向繼續(xù)探索多路復(fù)用方案。

觸覺互聯(lián)網(wǎng)的通信問(wèn)題是個(gè)極具考驗(yàn)的挑戰(zhàn)。觸覺互聯(lián)網(wǎng)需要具備超低延時(shí)、極高可靠性等特點(diǎn)。尤其是對(duì)于遠(yuǎn)程手術(shù)和自動(dòng)駕駛等場(chǎng)景，要求時(shí)延小于10 ms，且觸覺互聯(lián)網(wǎng)最終時(shí)延目標(biāo)更是達(dá)到1 ms。另外，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信可靠性的要求也不同。未來(lái)，需要繼續(xù)探索采用5G或6G、軟件定義網(wǎng)絡(luò)[19](Software Defined Network，SDN)、邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)、人工智能等技術(shù)能否滿足觸覺互聯(lián)網(wǎng)的通信要求。6G相比于5G，在實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)高速、無(wú)延遲、安全可靠分發(fā)等方面更為先進(jìn)[20]。SDN技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面和控制平面分離[21]，而NFV技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)軟硬解耦和功能抽象。邊緣計(jì)算可加速內(nèi)容、服務(wù)和應(yīng)用程序，提高邊緣的響應(yīng)能力。人工智能技術(shù)可協(xié)助預(yù)判錯(cuò)誤操作，減少延遲和丟包對(duì)觸覺控制不穩(wěn)定性的影響[22]。

在觸覺互聯(lián)網(wǎng)上，可傳遞的感官信息更多，需要防護(hù)的用戶數(shù)據(jù)也就變得更多。觸覺互聯(lián)網(wǎng)開拓的一些新的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)安全的系數(shù)要求極高，一旦部分?jǐn)?shù)據(jù)受到破壞，可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重性災(zāi)難。未來(lái)，可以運(yùn)用區(qū)塊鏈等創(chuàng)新技術(shù)為觸覺互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全保駕護(hù)航。