那个被吹上天的固态按钮,苹果iPhone 16没做出来
2024-09-12 17:39

那个被吹上天的固态按钮,苹果iPhone 16没做出来

题图来自:视觉中国

文章摘要
iPhone 16相机控制按钮未实现固态设计。

• 📸 新相机控制按钮具备多重操作功能。

• 🚫 固态按钮技术因反馈问题未获应用。

• 🔬 压电技术或成未来固态按钮发展方向。

一年一更的iPhone又来了,最热门的AI功能咱一时半会儿还用不上,外观方面也是差不多那样,好像智能手机的形态真的快到头了。但是,智能手机的交互还没到头。



就像苹果这次iPhone 16上的相机控制(Camera Control)按钮,通过轻按、重按、触控的方式,用一个按钮就能控制快门、变焦、模式切换等,很有可能会成为电子产品次世代的交互方式。


相机控制按钮的实现路径


在发布会上,iPhone的产品经理花了整整23秒来介绍这个按钮是如何工作的,其复杂程度只能说令人叹为观止。



这颗按钮依旧具备一个传统的点按开关,并不像传闻中采用不可按压的全固态设计。另外还配有一套高精度力传感器和震感马达,用于模拟不同按压力度和触摸的反馈。



按钮表面则是蓝宝石覆盖的电容式触摸传感器,用于识别滑动等触摸操作。顺带一提,官方的保护壳带有一片蓝宝石玻璃,并有传导层,能够将手指的动作传递给相机控制按钮。


虽说功能和之前爆料的差不多,但实现方式还是有点让人失望的,对于向来从简的苹果来说,这次的解决方案过于复杂,本来应该有更好的方案才对。


好好的按钮为什么要改?


传统机械按钮由于其复杂的结构,容易受到灰尘、水分等环境因素的影响,导致损坏或失灵。比如iPhone上那颗祖传的静音切换键,就很容易被灰尘卡住,因为这个问题去售后的用户也不在少数。而固态按钮就没有这个问题。


从设计角度来看,固态按钮减少了可活动机械组件的数量,这不仅提升了按钮的生产效率,还降低了故障率。而固态按钮则通过电容感应或压力传感技术实现操作,没有机械结构,因此更加耐用和防水。此外,固态按钮还能帮助打造无孔化机身,使得设备的密封性更好,能够实现理想中的“黑盒”极简设计。



去年就有传闻称iPhone 15 Pro会采用固态按钮,可惜最后并没有采用。后来有外媒爆料称苹果的这一计划名为“Bongo”,是一种电磁驱动的触觉反馈装置,能够提供更加细腻和真实的触觉反馈效果。通过这种技术,用户在进行虚拟按钮按压时,能够感受到类似于物理按钮的触觉反馈,从而增强了交互的直观性和满意度。


然而,由于技术和生产上的挑战,iPhone 15 Pro终究是无缘了,iPhone 16这个按钮也只能算是折衷实现了固态按钮的功能。


从功能角度来看,固态按钮为屏外交互提供了更多操作维度。例如,用户可以通过轻点、轻按、重按和滑动等不同方式与设备进行交互。这种多样化的操作方式不仅提升了操作效率,还为用户带来了更丰富的使用体验。



在一份2023年公开的专利中,苹果就展示了通过不同按压力度和滑动,在一个按钮上实现多重操作。例如,轻触可能用于触发一个预览功能,而更用力的按压则可能用于执行一个确认操作,还可以用按压+滑动来实现多重连续操作。


但是专利归专利,实际应用就是另一回事了。


手机厂商们尝试过的“固态按钮”


如果以“不能动”来定义固态按钮,其实也有不少手机尝试过了。



谷歌在其Pixel系列手机中引入了Active Edge功能,通过挤压机身的方式触发特定功能,如启动Google Assistant。这种设计虽然只能实现一种操作,但提供了一种全新的交互方式,减少了对传统按钮的依赖。



苹果在iPhone 7中首次引入了固态Home键,取代了传统的机械按键。这个固态Home键通过Taptic Engine提供触觉反馈,模拟按键的点击感。安卓阵营中,魅族15也采用了类似的设计,提供了更耐用和防水的Home键体验。


华为在Mate30系列中引入了屏幕虚拟按键,通过在曲面屏边缘设置UI按键,实现多样化的操作。这种设计不仅提升了屏幕的整体性,还提供了更多的交互方式,如音量调节和拍照快门等。


一些游戏手机,如华硕ROG Phone系列,在边框中嵌入了超声波触控肩键。这些固态按钮能够识别点按力度、滑动等操作,为游戏玩家提供了更丰富的控制体验。这种设计不仅提升了游戏操作的精确性,还减少了机械按钮的磨损。


如果要论功能性,超声波触控按钮完全可以实现iPhone 16上这个按钮的所有功能,为什么苹果直到现在才加上呢?


固态按钮的关键难点:“反馈”


在前两节我们都有提到苹果对于固态按钮的“反馈”的执着,努力让固态按钮用起来像机械按钮,为什么固态按钮一定需要真实的反馈呢?


答案很简单,因为它是个按钮,按钮就应该有反馈,这是我们的直觉。在《设计心理学》丛书中,作者认为好设计应该符合以下5个原则:示能、意符、约束、映射和反馈,而反馈恰恰是固态按钮的痛点。



以垂直电梯为例,按下楼层按钮后,那个按钮就应该变亮。如果这个时候所有按钮的灯都没亮,但电梯还是把你送到了对应的楼层,你是不是觉得这电梯坏了?



另一种情况是,你按下按钮后,所有按钮的灯都亮了,但是电梯还是把你送到了对应的楼层,你是不是依旧觉得这个电梯坏了?


上面两种情况分别对应的是缺少反馈和反馈不清晰。


传统的机械按钮,按下和弹起都会有机械结构带来的天然反馈,耳朵听到的咔哒声、指尖感受到的振动,这些反馈让我们可以清楚判断是否按下了按钮。


而固态按钮几乎去掉了所有的机械结构,本身无法提供声音或触感的反馈,这就需要人为增加一个反馈。


以iPhone 7上的Home键为例,其实是按不下去的,而是通过Haptic Engine来模仿按压的手感和震动,以至于当年很多用户不知道那个Home键是完全固定的。


可能很多人以为iPhone 16这个按钮就是把以前的Home键挪到了边框上,实际上它们有着非常大的区别。



为了保证反馈的真实感,反馈应该直接作用于按压的地方。iPhone 7上的Home键如此真实,就是因为这个超大号的Haptic Engine震感马达在按键下方。


对于侧面按钮而言,如果利用原本位于下部的Haptic Engine来模拟反馈,会因为距离和位置的关系,震动无法准确传导到对应的按钮上,导致反馈的失真。这一点和现在游戏手机上的超声波触控肩键一样,触发按钮时手机会提供一个震动反馈,可是反馈并不来自于指尖,而是来自于整个手掌。



如何解决这个问题?给侧面按钮再加一个震动马达吗?苹果在Bongo计划里提到的电磁驱动触觉装置,其实就是我们常说的X轴线性马达,但是即便体积再小也有悖固态按钮的初衷。


用固态按钮本质是为了去机械化结构、实现更简洁的设计,如果又加上一个震动马达,不就是本末倒置了吗?


谁能想到,苹果整出了一个带电容触摸、带震感的超复杂按钮,多少让人有点迷惑。


固态按钮与科研顶流“Piezo”


虽然iPhone 16没能用上固态按钮,但这并不妨碍我们继续讨论固态按钮的实现路径。


2021年诺贝尔生理学或医学奖授予了David Julius和Ardem Patapoutian,以表彰他们在发现温度和触觉感受器方面的贡献。Patapoutian教授通过研究压敏细胞,发现了Piezo1和Piezo2这两种机械敏感离子通道,它们能够对皮肤和内部器官的机械刺激做出反应。



“Piezo”这个词源自希腊语“piezein”,意思是“紧压”或“挤压”。在现代科学中,“piezo-”常用于表示与压力相关的现象,如压电效应。


压电效应,即某些晶体在受到外力作用时会在其表面产生电荷,或者在外加电场作用下发生形变的现象。这一效应自发现以来,经过了百余年的研究和发展,在现代科技中扮演着越来越重要的角色。



从微观层面来看,压电材料和Piezo1、Piezo2离子通道有着异曲同工之妙,主要体现在它们对机械力的响应机制上。具体来说,Piezo1和Piezo2通道在细胞膜中的嵌入方式使它们能够感知膜张力的变化。当膜张力增加时,通道结构从弯曲状态变为平展状态,导致中央孔道开放,允许离子通过。


这种机制与压电效应中的机械应力引起电极化变化的原理相似,都是通过机械力引起内部结构变化,从而产生电信号。



前面提到某些晶体在外加电场作用下会发生形变,具体指当在压电材料上施加电场时,材料会发生机械变形或位移,这也被称为逆压电效应。划重点:机械变形或位移,这就意味着我们可以利用逆压电效应来产生触觉反馈,这就是压电触觉。


巨头突破量产困境


大部分压电材料都同时具备上文提到的2种特性,作为按钮既能感知按压,也能产生反馈,结构也能做到极简,堪称是完美的固态按钮材料,但其量产过程却相当复杂。


主要的挑战在于压电材料的加工精度要求高,且需要与电子设备中的其他组件精确配合。此外,压电按钮的功耗也是一个问题,往往需要数十伏的高压才能驱动,对于手机的电池是个不小的挑战。



早在2019年,电子元件巨头TDK集团宣布其子公司TDK Electronics与开发超低功耗触觉技术的Boréas Technologies签署合作协议,旨在加速压电触觉解决方案的广泛应用。


合作将特别关注移动应用领域,通过结合TDK的高性能执行器和Boréas的低功耗驱动IC技术,克服了压电触觉技术在移动设备上应用的障碍,推动了下一代用户界面的创新。


Boréas是一家无晶圆厂半导体公司,拥有专利的压电执行器驱动技术平台CapDrive, 它是首个无需担心功耗、性能、耐用性或尺寸限制就能释放压电材料独特特性的半导体平台。与市场上的其他压电驱动技术相比,CapDrive在提供高清触觉反馈的同时,还集成了压力感应功能,这是其竞争对手所不具备的。


之后在2023年, Boréas在视频平台上发布了一个名为“New Solid-state button Demo”的视频,在视频中完整展示了压电固态按钮的操作方式,包括按压、触摸、滑动等,而且反馈非常细致,与传统机械按钮无异。


▲转子马达、线性马达和压电元件提供的触觉精度对比


在解决了功耗和体积问题之后,就剩下生产了。前面提到Boréas的这项技术是基于半导体的,因此生产方式和传统机械按钮完全不一样,没有舌片、弹簧等细小零件,本质上是在做“会动的芯片”。


要生产这样的固态按钮,就需要用到MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)封装技术。


半导体行业新星:MEMS


MEMS是一种集成单元,其内部结构通常在微米甚至纳米量级,能够将机械部件、传感器和电子元件集成在一个芯片上,采用类似光刻和刻蚀等微制造技术。


MEMS封装是指将微机电系统(MEMS)器件进行保护和集成的过程。然而,由于MEMS器件通常包含微小的机械结构,如悬臂梁和微镜,封装还必须提供机械支撑和环境保护。此外,MEMS封装需要考虑气密性、隔离度和特殊的封装环境,以确保器件在各种应用场景中的可靠性和性能。



在2018年,日月光与TDK合资成立日月旸电子,专注于采用TDK授权的SESUB技术生产集成电路内埋式基板。SESUB技术对于MEMS封装至关重要,因为它使得将更多芯片与功能集成在更小尺寸的基板上成为可能。


而今年4月份也有供应链消息传出,日月光独家拿下用于iPhone 16系列的新型按键系统级封装(SiP)模组大单。


随着iPhone16的发布,这个大单应该就是指相机控制按钮了,而不是我们期待的压电固态按钮。话说回来,这枚按钮多少也是需要用到MEMS封装技术的。


手机又将迎来一个创新点?


用压电效应来做固态按钮,这个概念很早就有了,已经量产的产品也有不少,只不过能同时兼顾产量、微型化和功耗的产品,几乎没有。就拿前面提到的Boréas来讲,成品方案已经上市几年了,MSI微星也推出了采用压电触觉触摸板的笔记本电脑。直到今年6月份,Boréas才刚迈过100万出货量的门槛,显然这无法满足手机市场的需求。


好消息是大家熟悉的供应链厂商也很早就在布局压电相关的技术,比如歌尔声学、瑞声科技(AAC)和汇顶科技等,汉得利(BESTAR)更是已经推出压电触觉的成品方案,或许不久后真能在手机用上压电固态按钮。


压电固态按钮本身具备多维交互输入和输出的能力,对于手机来说意味着这是一个全新的交互方式,除了作为多功能快门键,还可以作为游戏肩键和AI按钮等,或者说直接替换原有的音量键和电源键,给原有的按键带去更多功能,总之就是无限可能。


写在最后


老实说,本来以为iPhone 16会用上压电固态按钮,并从此逐渐过渡到无孔化机身。抱着这样的期待,看到这颗相机控制按钮多少有点失望。


从交互的角度看,相机控制按钮也没有带来令人惊艳的交互方式,更重要的是,iPhone的相机真的需要大费周章单独做一个按钮吗?


回到文章开头提出的观点,“相机控制按钮很有可能会成为电子产品次世代的交互方式”,仔细思考之后,我觉得应该去掉“很”字。谁又能保证,相机控制按钮不会成为下一个3D Touch?

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