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全球触觉互联网技术发展概述

供稿人:杜渐  供稿时间:2019-5-20   关键字:触觉互联网  Haptic  Internet  Tactile  Internet  

一、技术的基本范畴

“触觉互联网”一词由德国德累斯顿技术大学教授Gerhard Fettweis提出,触觉互联网可以定义为一种低延迟、高可靠性、高安全性的互联基础设施,借助于触觉互联网可提供远程触觉感受,及对对象或物体进行远程控制、诊断和服务,并实现毫秒级响应。

触觉互联网融合了虚拟现实/混合现实/增强现实、5G移动通信、触觉感知(Haptic sense)等最新技术,是互联网技术的又一次演进,由此,互联网由内容传输网络进一步演进为技能传输的网络。同时,触觉互联网提供了一种新的人机交互方式,在视觉和听觉以外叠加了实时触觉体验,使用户可以用更自然方式与虚拟环境进行交互操作。此外,触觉互联网定义了一个低延迟、高可靠性、高连接密度、高安全性的基础通信网络,是5G移动通信的重要应用场景之一,可以被广泛应用于工业自动化、自动驾驶、智能电网、游戏、健康和教育等需要毫秒级响应的行业应用,并实现网络功能由环境信息监控到环境控制的拓展。

二、技术的发展现状及态势

触觉互联网必须具有以下特征:高可靠,因为许多关键任务将被远程执行;低时延,触觉数据的传输需要低时延支持动作和反应;依靠便宜的边缘来实现联网设备的大规模。

触觉互联主要围绕以下几个主要领域进行创新:

网络架构

网络架构对于确保低时延、高可靠、鲁棒性,以及与许多其他网络的兼容至关重要。通过软件定义网络(SDN)技术实现的网络切片进行端到端路径预留将在此中发挥重要作用;开发新的无线通信空中接口,实现更短的传输时间间隔(TTI),并通过多链路技术提供可靠性;最后考虑将分组网关功能移近边缘,以满足严格的端到端延迟要求。

边缘计算

边缘计算负责在靠近用户设备的接入网络边缘提供触觉应用的计算、网络功能及边缘智能。边缘计算提供延迟敏感的触觉应用及服务,虚拟化网络控制功能以及无线网络所有必要接口。此外,边缘智能在提供零延迟网络的感知方面也发挥了重要作用,通过边缘智能对远端运动行为的缓存以及基于模型的内插/外推预测,为地球两端的节点实现触觉控制回路低于10ms的延迟,关键技术包括环境建模(几何和物理属性);主侧稳定的力渲染;环境模型的标准化数据库和智能和功能的云布局。

触觉精密化

触觉精密化指复制人体皮肤敏感性,通过计算机对触觉做定量控制。触觉精密化的一个方向是通过不断进步的传感器更加精准地模拟人类皮肤,将各种不同的触觉感受进行编码,即将感知数据化,数据感知化;另一个方向是通过视觉、触觉学和运动学的融合算法,实现视觉、听觉和触觉的数据整合和跨模式的互动;此外,传感数据压缩方案也是研究重点。

安全和隐私

安全和隐私也是触觉互联网的关键要求。在当今的通信系统中,安全通信基于将加密与传输技术分离,由于现有安全机制在更高的协议层实现,因此会导致明显的延迟。考虑到触觉互联网严格的延迟限制,其安全性必须嵌入物理传输中,并且理想情况下具有低计算开销。合适的编码技术将确保只有合法的接收器才能处理安全消息,识别合法接收器需要新颖可靠且低延迟的方法,可以使用硬件特定属性来实现这一功能,例如生物指纹识别等。

三、技术发展的竞争态势

总体来看,触觉互联网仍处于商业化前的研究阶段。目前,已有众多标准化组织、高校研究机构以及企业已开展相关业务布局,部分企业还已开发出了原型产品。

标准化方面,ITU等标准化组织及埃森哲等咨询机构均已发布了针对出具互联网的技术观察报告。IEEE还成立了IEEE P1918.1“触觉互联网”标准工作组,该工作组的任务包括定义了触觉互联网的定义和术语,构建基于融合通信,计算和控制(CCC)触觉互联网参考模型和体系架构,以及定义触觉互联网的各种关键任务应用。欧洲电信标准化协会也已启动标准化工作,成立ETSI IP6工业规范组(ISG),启动基于IPv6的触觉互联网的工作项目。

研究机构方面,伦敦国王学院与爱立信从2015年开始合作进行5G应用的开发,设立触觉互联网实验室,研究通过网络传递实际技能,创造所称的“技能互联网(Internet of Skills),并已进行了外科医生通过虚拟现实设备和触觉手套通过机器人对患者进行远程手术,以及通过手套记录钢琴演奏中手指的动作,并实时触动远程学习者的手指,进行钢琴教学等的业务展示。日本早稻田大学基础科学和工程学院研究人员已开发出借助于多传感器,从虚拟的图像中获得实际的触觉反馈的技术。美国哈佛大学生物仿生工程研究所开发出一款柔性下肢外骨骼产品——Soft Exosuit,是由灵活的功能性纺织品制成,可以用来模仿腿部肌肉和跟腱,可以应用于康复治疗等。此外,德国德累斯顿技术大学、弗劳恩霍夫海因里希 - 赫兹研究所等在触觉互联网领域也有长期的积累。

企业方面,除爱立信之外,包括NEC、Nokia、三星、华为、东芝、中国移动、甲骨文、InterDigital等信息企业已经投入触觉互联网研发相关工作,此外,一些创新型公司也在进行开原型产品发。英国的Ultrahaptics公司开发了一个超声波触觉反馈系统,让用户在空中也能用指尖感受到不同材质的触感。该企业的核心设备是一款外设垫,能够发出40KHz频率的声波,通过调节超声波强度模拟出一种虚构的形状和力度,让用户体验到“边缘”、“平面”等不同虚拟物体的触感。

四、技术产业化的前景

触觉互联网可以实现远程触摸应用及对机器远程的操控,并使得经由互联网远程传递技能、体验、服务等成为可能,有望彻底改变现有企业的运营模式,推动服务全球化的发展,英国国王大学研究人员估计,未来全球触觉互联网将会带来每年20万亿美元收入(占当今全球GDP的20%)。触觉互联网产业化主要在以下几个方面:

工业自动化

工业自动化是触觉互联网中的关键应用领域。 在工业物理信息系统中(CPS),控制电路在控制快速移动的设备(如工业机器人)时,需要极低的端对端延迟。当前控制过程主要通过快速现场有线连接实现,例如工业以太网。未来,远程控制工业机器人,有望可以通过触觉互联网解决方案实现。

无人驾驶

触觉互联网具有具有超高可靠性和主动/预测性能,可以提供小于1毫秒的端到端响应时间,借助于触觉互联网,通过车辆之间(V2V通信)以及车辆与路边基础设施间(V2I通信)的通信与协调,可以为车辆提供附近以及超视距的环境的信息,使车辆从自治系统转变为更有效的合作系统的组件,从而提高交通系统效率和潜在的安全性。

设备的远程维修、维护

触觉互联网可以实现远程对机器、设备的高精度控制,可以在危险或人类难以到达环境的环境中,替代人类活动,如:在灾难爆发时,遥控远程机器人进行抢险、救助;或是当用户汽车、设备等出现故障时,技术维修人员通过触觉互联网在远程进行故障诊断、维修指导等。

医疗保健

触觉互联网在医疗保健领域有许多潜在的应用。通过触觉互联网传递医生技能,一位经验丰富的外科医生身处临时医院,通过触觉互联网却能给世界另一端的病人实施精准的医疗诊断(如触诊)以及手术;此外,通过基于外骨骼的假肢和功率放大器为残疾人提供的支持和帮助,改善他们的活动能力,确保他们能够自主的生活。

虚拟显示

现有的虚拟和增强现实应用程序也可以从触觉互联网中获益。虚拟现实可以提供共享的触觉虚拟环境,其中几个用户通过仿真工具物理耦合,可在视觉上叠加触摸感知来联合或协作地执行任务。在增强现实中,真实和计算机生成的内容的组合在用户的视野中可视化。虚拟现实中的触觉反馈是高保真互动的先决条件。特别地,通过触觉感知虚拟现实中的对象导致依赖于高精度的各种应用。例如维护,驾驶员辅助系统,教育。

远程教育

触觉互联网将为远程教育提供增强的交互体验,如:提供支持更加逼真的运动仿真(如飞行仿真器)的电子教育,使得在线教育可以提供触觉感官的支持,为技能类课程,如:音乐弹奏、美术、运动等提供全新的学习体验。

参考文献:

1、ITU-T Technology Watch report,the Tactile Internet 2014.8

2、5G-Enabled Tactile Internet,IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS,VOL. 34, NO.3, MARCH 2016

 


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