━━━━━

如今，我們通過觸摸的方式——輕按、滑動和捏縮拉放——來控制我們的電子世界。2007年蘋果首次在iPhone上應用這一技術時，觸摸界面還是個新鮮事物，但還不到10年，它就無處不在了。觸摸界面現在太常見了，乃至剛會走路的小孩兒都會覺得，如果觸摸屏對他們的觸碰沒反應了，就說明它壞掉了。但觸控并非屏幕的最終結局。你在淋浴的時候無法使用觸摸屏，你不能在眼鏡上架一個觸摸屏，而且如果要在手持玻璃板上按壓和捏拉，你大概也不愿意去體驗虛擬現實（VR）。

快進到2020年，我預計屆時還會有一些手機和平板電腦使用觸摸界面，但不會太多。早上晨跑前，你用指尖掃過放在身旁的健身手環，手環內嵌的超聲波收發芯片將檢測你指尖的動作，識別你的手勢，打開你最喜歡的音樂。跑步結束后，如果你淋浴的時候手機響起，你只要將手臂伸出浴室，把手掌置于手機顯示屏上方就可以接聽電話。接著，在你開車的時候，導航警告和短消息可能會使你分心，但你只要揮揮手就可以讓它們不再干擾你了。

鑒于超聲波微機電系統（MEMS）近來取得的突破，手勢魔法的世界即將來臨。

━━━━━

對于基于手勢的界面，其邏輯很簡單：人類在進化過程中使用雙手與環境互動，因此所有人都能很自然地使用手勢。雖然近年來語音識別已經得到了極大改善，但有時并不適合發送語音指令，并且需要使用關鍵短語（例如“好的，谷歌”），這對簡單控制來說也并不合適。舉例來說，在一些汽車里，你可以使用語音控制音響，但首先你必須按下按鈕來啟動語音控制，之后還要按順序分別發出3個語音命令：“收音機”“音量”和“增大”。與直接觸摸音量按鈕相比，這反而更麻煩；而手勢控制則可以一樣簡單，甚至是更加輕松：你不需要找到按鈕，只需在收音機前揮一下手就可以了。

觸控界面和語音識別的局限性在虛擬現實和增強現實中體現得更明顯。畢竟，若是在操縱虛擬物體時使用觸摸屏或者語音命令“好的，谷歌，揮劍”，那實在是沒有身臨其境的感覺。

要實現基于手勢的用戶界面，一個顯而易見的方式似乎是使用攝像頭，因為幾乎每臺筆記本電腦、平板電腦和智能手機都配有攝像頭。但是大多數人都對其個人電子設備上“永遠開啟”的攝像頭感到別扭（最近在互聯網流傳甚廣的一張照片里，臉譜網創始人馬克?扎克伯格用膠帶把他筆記本電腦的攝像頭封上了）；而且手勢追蹤所需要的視頻采集功能也非常耗電：谷歌眼鏡的用戶報告說，僅僅拍攝了30分鐘視頻，電池就沒電了。

攝像頭自身也存在一個更加根本性的問題：它只能捕捉二維圖像，難以從復雜的光學背景中識別出用戶的手。如果你曾經在平行泊車和使用后視鏡時錯誤判斷與后車的距離，你就知道僅憑視覺來判斷距離有多么困難。

圖像處理的計算成本也必須考慮在內。即便是在微軟功能強大的Xbox游戲機中，許多開發者也都選擇禁用支持使用紅外攝像頭來追蹤動作的Kinect體感器，以便獲得專門分配給Kinect圖像處理功能的那10%的圖形處理單元。

━━━━━

最近幾年，人們為實現無需攝像頭的手勢感應技術付出了一番努力。3種主要競爭設備是雷達、光學紅外和超聲波。

在Soli項目中，谷歌已經開發出了一個用于手勢感應的60千兆赫微型雷達系統。據悉，該項目開發了一款可植入智能手表的最新原型機，其功耗為54毫瓦，這一功耗聽上去雖然微不足道，但事實上對于手表來說已經很可觀了。要想把這款雷達作為主要界面來使用，谷歌在未來必須將其功耗降低一個數量級。并且，谷歌擬定這一界面使用的頻段為60千兆赫，而隨著IEEE 802.1lad（即無線千兆比特，WiGig）形式的通信網絡的發展，這一頻段已開始變得擁擠。

光學傳感器是實現基于手勢的界面的另一種方法。

基于低成本紅外發光二極管的紅外傳感器如今已被作為智能手機的近距離傳感器使用——這也是智能手機能夠在你將手機貼近耳邊打電話時禁用觸控屏功能的原因。這些近距離傳感器可測量附近物體反射的紅外光的強度。由于反射強度取決于物體的大小和顏色，因此該功能對于距離的測量并不準確，但判斷手機是否貼近你的頭部已是綽綽有余。

一些較新的基于紅外線的傳感器使用的是飛行時間測量法，而不是測量光強。這種方式更精確，但探測光線的飛行時間需要寬帶接收機，這就會增加電量消耗。舉例來說，意法半導體集團最新研發的紅外飛行時間傳感器在測量速率為每秒鐘10個樣本時，功耗為20毫瓦。

而且，所有紅外傳感器都必須克服其他紅外線源（例如鹵素燈和日光）的影響。某供應商的飛行時間傳感器在室內的探測范圍可達2米，但在陰天的室外，其范圍卻縮小到僅50厘米。其在陽光充足的室外表現如何并未說明，大概是因為這種傳感器在這種條件下完全無法工作。

━━━━━

現在來看看超聲波的情況。小時候，我們就知道蝙蝠和海豚能夠用超聲波回聲進行定位。令人好奇的是，大多數蝙蝠和海豚并非完全是瞎子。相反，它們是用超聲波來輔助視覺，使它們能夠確定獵物的大小、距離、位置和速度。它們通過發出高頻聲音脈沖和聽取回聲來進行飛行時間測量。在空氣中，對于兩米之外的目標，回聲返回需要大約12毫秒，若要利用超聲波追蹤快速移動的目標，這個時間太短了；但若要利用超聲波在不需要大量帶寬處理的情況下區別出多個回聲，這個時間就夠長了。

超聲波測距在人類世界的使用不過100多年，現在仍依賴壓電換能器，并且這種換能器與保羅?朗之萬于1917年首次展示的石英換能器相差無幾，當時的石英換能器是一戰期間法國反潛艇研究的一部分。從那時起，超聲波就被廣泛用于海運（包括從小型游船到核潛艇的所有船種）、醫療、無損檢測等領域，并且在或酷炫（想想特斯拉的Autopilot系統）或尋常（例如停車距離傳感器）的汽車功能中也有應用。

然而，到目前為止，超聲波尚未在消費電子產品中得到大量應用。其中一個原因在于，盡管固態集成電路技術對于射頻和紅外傳感器（德州儀器的工程師杰克?基爾比發明集成電路后不久，該公司就于1962年首次實現了紅外發光二極管的商品化）的發展產生了很大影響，但是超聲波換能器的材料和設計在這些年中并沒有產生很大的變化。不過，MEMS聲學換能器最近的創新使得在消費電子產品中使用超聲波成為可能。

MEMS技術對微型麥克風領域產生了巨大的影響。聲學MEMS組件在2003年首先進入麥克風市場，當時非常受歡迎的摩托羅拉刀鋒手機就內置了一款樓氏電子公司生產的MEMS麥克風。今天，幾乎所有的智能手機都采用了比傳統駐極體電容麥克風更小巧、更省電，并可在儀器上進行更多信號處理的MEMS麥克風。近年來，這類麥克風的主要生產商包括阿庫斯蒂克、凌云邏輯、英飛凌、應美盛、樓氏電子、意法半導體等公司。

最近，一些公司開始探索將MEMS麥克風用于接收近聲頻帶超聲波。雖然制造商們的產品指標列出了麥克風在聲頻帶（高達約20千赫）中的性能，但這些麥克風上安裝的MEMS轉能器往往能夠收到超過這個頻率一倍的信號。

首個進入大眾消費市場的基于MEMS的超聲波應用是惠普Slate系列平板電腦配套的高通驍龍數字筆。高通是在2012年收購以色列超聲波技術公司EPOS Development的時候獲得這項技術的。這款超聲波書寫筆可在距離平板電腦表面一定距離的范圍內被追蹤到，因此用戶可以在平板電腦附近的記事本上用這只筆進行書寫。

另一項消費者設備采用超聲波創新的例子是挪威Elliptic研究實驗室在2016年推出的一款名為“美麗”（Beauty）的產品。這款產品使用智能手機現有的耳機和MEMS麥克風來替代紅外近距離傳感器，通過超聲波方式探測手機是否貼近用戶耳朵，從而禁用觸摸屏和顯示屏功能。

這些早期的超聲波產品所采用的是在接收超聲波信號方面有著不錯表現的傳統MEMS麥克風。然而，這些麥克風采用的都是電容換能器，不適合在空氣中傳輸超聲波。

電容麥克風換能器由兩個以空氣間隙（大約1微米）分隔的電容板——背面電極和薄膜——組成。檢測薄膜在入射聲波的影響下會發生變形，這時，這類換能器通過檢測電容的變化來接收聲音信號。通常，這也是麥克風的全部功能——接收聲音。但也可以逆轉麥克風的這一過程，使薄膜變形發出聲波，從而傳播聲音。

這樣做的話存在一個問題：好的接收器的薄膜和背板之間的空氣間隙非常小，因為接收器的聲學靈敏度與空氣間隙距離的平方成反比。因此，假如間隙擴大為原來的3倍，則靈敏度將下降到原來的1/9。雖然小的空氣間隙有益于接收聲音，但對于傳播聲音來說是個問題，因為小空氣間隙會限制薄膜的位移，從而限制可被傳輸的最大聲壓等級（SPL）。最大聲壓等級與周圍介質（也就是空氣）的聲阻抗以及薄膜運動的頻率和振幅的乘積成正比。電容轉能器，例如電容式超聲換能器（CMUT），在以液體為周圍介質，超聲波頻率大于幾兆赫，且采用高電壓驅動換能器的醫學應用中表現良好。

然而，高頻超聲波在空氣中會快速減弱，吸收損耗從40千赫下的1分貝/米提高到800千赫下的100分貝/米。由于這個原因，氣介超聲換能器通常是在40～200千赫的頻率工作。在這一頻率范圍內，由于空氣比液體的聲阻抗要小得多，因此超聲換能器的振動必須超過1微米，其傳播的聲壓級才能到達一定的水平，測量距離換能器幾厘米外物體的回聲。振動振幅能夠達到這一要求的電容式超聲換能器需要更大的空氣間隙，需要的工作電壓也很高（超過100伏）。

所以，要在一臺低電壓設備（同時還是靈敏的接收器）中產生高壓聲波，薄膜位移就不能受鄰近背面電極的限制。

解決方法是壓電。壓電現象于1880年由居里兄弟發現，指的是某些物質能夠在機械變形的情況下產生電荷的現象。在壓電式微型機械超聲換能器（PMUT）中，機械變形使換能器能夠將一個入射超聲壓力波轉換成一個電信號。壓電式微型機械超聲換能器使用逆壓電效應來傳輸超聲波，即將電場作用于壓電材料上，造成壓電式微型機械超聲換能器薄膜的機械變形，釋放出超聲波。由于壓電式微型機械超聲換能器沒有背面電極，因此不會出現限制薄膜運動的硬停機。

壓電MEMS設備（例如壓電式微型機械超聲換能器）依賴于薄膜壓電材料，這種材料通常是采用從化學溶液或者蒸汽中沉淀的方法來制造。20年前，采用這兩種方法沉淀而成的薄膜壓電材料的性能比不上具備同樣屬性的大部分陶瓷材料；薄膜屬性（例如應力和壓電系數）未能得到很好的控制，并且沉積過程也無法重復。但是，在一些關鍵應用（例如噴墨打印頭和射頻濾波器）的驅使下，研究人員和設備制造商們已經找到了兩種材料，即鋯鈦酸鉛（PZT）和氮化鋁（AIN），來解決上述問題。今天，制造商在傳統超聲波換能器中通常使用鋯鈦酸鉛。

━━━━━

采用加州大學伯克利分校傳感器與執行器中心授權的壓電式微型機械超聲換能器技術，我與他人合作創辦的Chirp Microsystems公司正在開發基于超聲波的用戶界面收發機。

從外觀上來看，Chirp的超聲波收發機與MEMS麥克風完全相同。但機器內部包含一張壓電式微型機械超聲換能器芯片，并配有定制的超低功率混合信號集成電路，用來管理所有的超聲信號處理，使飛行時間傳感器在沒有外部處理器進行監督的情況下也能夠運轉。這樣一來，傳感器的功耗非常低：一次飛行時間測量消耗的熱量約為4微焦，在低采樣率條件下消耗的電流為幾微安。這與流行的健身監測裝置上始終開啟的用于計算步數的MEMS加速度計的耗電量相當。

可通過測量至少3臺傳感器的飛行時間并采用“三邊測量法”這種算法來確定物體（比如一只手或者一個指尖）的三維位置，這與GPS接收器利用衛星星座來確定位置類似。在Chirp系統中，一臺低功率微型控制器被作為傳感器中樞來協調三邊測量。由于所有的超聲波信號處理都是在各傳感器內部進行的，因此中樞只需要進行少量計算，讀取不同傳感器的飛行時間，通過三邊測量法計算出最近目標的三維坐標即可。

Chirp在2016年消費電子展（CES）上對超聲波手勢感應技術進行了首次公開演示。公司現在正在與多家制造商合作，計劃將超聲波手勢傳感應用于可穿戴設備、虛擬現實以及游戲機控制器的超聲波追蹤上。我們預計一些產品將在2017年底上市發售。Chirp目前是唯一一家將空氣耦合超聲波用壓電式微型機械超聲換能器實現商業化的公司。不過，還有一些公司正在研究用于其他目的的壓電式微型機械超聲換能器。例如，創業公司eXo System正致力于研發使用大型壓電式微型機械超聲換能器陣列的便攜式醫用超聲波系統；慣性傳感器制造商應美盛在2015年底宣布，將于2017年推出商標名為“UltraPrint”的基于壓電式微型機械超聲換能器的超聲波指紋傳感器。

基于MEMS的低功率壓電超聲波將改變消費者設備的世界。使用超低功率超聲波的簡單設備（如手表或手機等），可通過始終開啟的傳感來進行情境感知，不斷探查周圍的環境；當被放進手包或口袋，或被袖子覆蓋時，設備就進入低功耗模式，只有需要時才會被喚醒。房間和車輛能夠感知我們的存在，對用戶的娛樂、照明和信息偏好做出反應，所有這些都無須使用具有侵入性的攝像頭。平板電腦、娛樂系統，甚至照明開關全都可以被植入基于手勢的自然界面中，通過簡單動作來進行直觀控制。到2020年，即便物聯網只能使數百億智能設備中的一小部分互聯，我們也需要一個比語音和觸摸更好的方式來與這個互聯的世界交流。

諷刺的是，當這種直觀手勢用戶界面進入到日常生活中時，我們將很快忘記它的存在。我們會下意識地用手一掃來使電話靜音，用手指劃過手腕來發送信息，或者通過揮手來切換應用。而在房間里的某個地方，比如桌子上，或者在你身體上的某處，一臺小巧的超聲波轉能器正在辛勤工作，與惰性空氣分子周旋，從我們身邊未被使用的超聲波頻率中挖掘出有用信息。