用于触觉呈现的方法和设备的制作方法

专利名称：用于触觉呈现的方法和设备的制作方法
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4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7J\ ο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。


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。
具体实施例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OD)阵列沈的侧视图和顶视 图的示意图。可任选地，溶液层观被限制在柔性容器中。阵列沈的每个电极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10X10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 2H20 — 02+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 2H20+2e" — H2+20F，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
权利要求
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弓I 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.—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。
全文摘要
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。
文档编号G09B21/00GK102047306SQ200980119103
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者E·布罗德, U·西万 申请人:技术研究及发展基金有限公司