5G时代的触觉互联网变革未来在线教育

王运武 陈祎雯 王藤藤

摘 要：2014年以来，触觉互联网逐渐成为互联网领域的前沿研究方向。随着5G技术成熟和商用的广泛推广，触觉互联网迎来新的发展契机。互联网促进了视觉和听觉通信的发展，触觉互联网实现了远程传递感觉和触觉。触觉互联网促进了人类感知觉、技能与互联网深度融合，延伸了人类技能，实现了人机智慧互联，加快了人类迈向“人机共融”时代的速度。触觉互联网可以增强智慧互联，从而提升教育智慧化水平。触觉互联网能够为动觉学习者提供在线学习新路径，增强在线教育触觉临场感。未来触觉互联网将会在触觉教育机器人、在线实时技能学习、远程触觉实验与体验、盲人触觉补偿和基于具身认知的触觉反馈学习环境五大场景中发挥重要作用。

关键词：触觉学;技能互联网;触觉互联网;感知互联网;教育变革;前景展望

听觉、视觉、嗅觉、味觉和触觉是人类感知外界、与外界进行信息交流的五大感知通道。19世纪的收音机、电话让人们实现了听觉的远程感知;20世纪的电视机、互联网让人们实现了视觉的远程感知;21世纪的传感器、物联网、互联网、移动通信网让人们实现了嗅觉、味觉和触觉的远程感知。互联网起源于20世纪50年代末期，自1993年美国提出“国家信息基础设施”，全球互联网进入快速发展期。随着通信行业的迅猛发展，更低延迟、更高可靠性、更强连接的网络被社会各行各业所期待，5G的出现恰好满足了这样的技术需求。历时近30年，互联网发展先后从固定互联网到移动互联网，再到物联网，如今5G、人工智能、机器人、混合现实等技术的快速发展将激发新的创新浪潮，加快了互联网继续向触觉互联网、技能互联网，甚至向感知互联网转变。这种感知觉和技能交互的转变将对教与学进行重组，同时对未来教育产生革命性的变革。

一、触觉学与触觉互联网

（一）触觉学

触觉学（Haptics）是新兴的研究方向。从人机交互角度看，触觉学是一种应用触摸感觉（触觉）和控制来与计算机应用程序交互的科学。[1]用户可以利用操纵杆、数字手套等与计算机程序交互获得信息反馈。近年来，触觉研究范畴逐渐拓展，赋予了触觉学新内涵。触觉学是研究触觉机器人、触觉传感器、触觉感知、触觉交互、触觉反馈、触觉互联网、触感技能互联的科学。触觉传感技术主要有机械触觉传感技术、影像触觉传感技术、数字触觉传感技术、虚拟触觉传感技术，借助触觉传感技术能够实现触觉“无意识”跨时空存在。[2]触觉反馈的方法有超声波触觉反馈（Ultrahaptics）、空气涡环（Air vortex rings ）触觉反馈等。触觉是人类认知世界的基本方式，对于人类学习具有重要的作用。

（二）触觉互联网、感知互联网和技能互联网辨析

互联网是视听媒体之一，延伸了人们的视觉和听觉，成为人们获取视听教育资源的重要信息通道。互联网促进了视觉和听觉通信的发展，触觉互联网建立在触觉通信技术基础之上，远程传递感觉和触觉。触觉互联网、感知互联网与技能互联网的关系，如图1所示。触觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器及其与传感技术、反馈技术、互联网、智能物联网（AIoT）的融合，产生了触觉互联网、嗅觉互联网、味觉互联网，并为远程传递人类的技能提供了可能，如实施远程手术。感知互联网可以理解为能够提供视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉五种感知信息实时在线交流互换的智能网络。借助感知互联网，人类所有的感官都可以与机器互动，实现技术支持的感知觉反馈互动。触觉互联网、技能互联网和感知互联网是互联网、移动互联网和物联网发展的高级阶段，促进了人类的感知觉、技能与互联网深度融合，延伸了人类技能，实现了人机智慧互联，加快了人类迈向“人机共融”时代的步伐。未来或许会出现情绪互联网，实现人类情绪的远程感知。

移動互联网实现了信息的移动交换，物联网实现了智能设备互联，触觉互联网将实现触觉的在线交互和控制。触觉互联网支持的触觉学习环境，能够借助多模态人机界面，实现在线视觉、听觉和触觉交互，增强触觉学习体验，有助于学习者掌握必要的精细运动技能。触觉互联网具有实时感知和同步动作（或控制）两个基本特征[3]，这使得人类技能可以远程实时传输。

2015年，伦敦国王学院与爱立信公司宣布合作进行5G应用开发，创建5G触觉互联网实验室，解决触觉互联网研发所面临的技术挑战和社会应用问题，期望突破传统物理的限制，进而打造技能互联网。[4]技能互联网是爱立信公司首席信息官提出的五大关键技术趋势之一。技能互联网是指人类技能给予或获取不再受限于任何物理边界，可以通过网络在全球范围内快速高效地传播，能够获得与本地相近的感知体验。[5]听觉、视觉、嗅觉、味觉和触觉的高质量、高效率的低延迟传输，是实现人类技能远程传递的重要前提。当前，听觉、视觉的远程高保真感知和传递已经有了较大进展，嗅觉、味觉和触觉的精准远程感知和反馈仍有待实现较大突破。技能互联网是人类技能走向万物互联互通的必经之路，其存在有三个重要前提：视听觉及触觉技术的实现;用户与远程终端;及机器人进行无缝交互;高质量、高速率通信的技术保障。[6]视听觉以及触觉的精准获取，可以提供给使用者真实的感官体验，而用户和远端的交互也需要更可靠、低延迟的通信技术支持，5G将会成为推动技能互联网发展的核心力量。

技能互联网的核心技术需要围绕三个主要领域进行创新：（1）网络和通信协议;（2）触觉编码器（动觉和触觉）;（3）边缘人工智能（突破光极限）。[7]对于网络和通信协议，最需要的就是可靠性和低延迟。而网络切片可以通过利用软件定义网络（Software Defined Network，SDN）及网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）[8]来实现此诉求，从而给技能互联网提供独立的逻辑网络。利用人工智能与网络的结合，可以大大提升零延迟的网络感知。支持触觉和视觉反馈，并与混合现实结合，才能实现真实的临场感[9]。编码器是捕捉动觉与触觉的关键，也是使用者获得真实感官体验的保障。技能互联网离不开强大的高速网络支持、边缘化的人工智能以及触觉互联网的进化。触觉互联网的进化同时推动着技能互联网的形成与发展。

（三）触觉互联网的起源与发展

早在21世纪初就有关于互联网传递触觉的研究。2003年，纽约州立大学布法罗学院虚拟现实实验室主任凯萨瓦达斯通过研制的装置成功传递了触摸软硬物体的感觉，还可以通过互联网把一个人感觉某实体特殊轮廓的结果传给另一个人。[10]南洋理工大学的研究人员发明了可以穿在鸡身上的震颤外衣，通过操纵电脑可以传递给动物被主人抚摸的感觉，并计划研发儿童睡衣让孩子感受到异地父母拥抱的感觉。[11]尽管当时畅想这种技术将会在远程教学、远程会诊、虚拟现实和娱乐产业等领域具有广泛的应用，但是由于互联网带宽、物联网、数据手套、触感反馈、触觉通信等技术的限制，互联网传递触觉的研究进展缓慢。

2010年以来，随着移动互联网、物联网，尤其是5G、Wi-Fi 6、AIoT的迅猛发展，触觉互联网迎来了新的发展契机。2014年，德国德累斯顿工业大学一位教授在论文《触觉互联网：应用与挑战》中最先提出了触觉互联网（Tactile Internet，TI）的理念，他认为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。[12] [13]触觉互联网将延伸和传递人们的触觉感知，改变人类与外界的交流方式，成为经济增长和科技创新的驱动力。由此，触觉互联网逐渐受到人们的关注，成为互联网领域的前沿研究方向。

2014年8月，国际电信联盟（ITU）发布《触觉互联网：ITU-T技术观察报告》[14]，认为触觉互联网将会是未来重要创新领域，触觉互联网将会在虚拟现实、增强现实、保健、严肃游戏、教育与文化、智能电网等领域具有广泛的应用前景。触觉互联网对延迟和可靠性、安全、系统架构、传感器和执行器、接入网、移动边缘云等基础设施建设具有较高要求。人类对突发、不可预见事件做出反应时，感觉到刺激和肌肉反应之间的时间差在1秒范围内。人类听觉反应时间约为100毫秒，人类视觉反应时间在10毫秒内。人类手动控制视觉场景并发出预期快速响应的命令，需要1毫秒的反应时间。5G网络延迟降低至1毫秒，其超低延迟、高速率、大容量的特性满足了触觉互联网的技术需求，将会显著增强人类感知觉和技能的在线交互体验。

2015年，伦敦国王学院米沙·多勒尔（Mischa Dohler）在巴塞罗那召开的世界移动通信大会上进行演讲后，触觉互联网就迅速成为了热词，研究者开始逐渐关注触觉互联网的相关关键技术。2016年，有研究团队[15]分析了触觉互联网的关键技术要求和架构方法;通过调查报告介绍了触觉互联网的最新进展和使用技术，而且特别关注了光纤无线对低延迟和可靠性的贡献[16]。2017年，有研究团队介绍了一种基于多层云的触觉互联网系统[17];探讨了几种可应用于触觉互联网的低延迟技术[18]。

2018年，美国电器与电子工程师协会（IEEE）成立了触觉互联网工作组，定义了触觉互联网框架，开展触觉互联网标准开发工作。同年，有研究团队探讨了通过5G触觉互联网来实现触觉通信的方法与经验[19]。

2019年，有研究团队设计了基于5G技术进行的触觉互联网的超可靠和低延迟系统。[20]拉杰什·古塔普（Rajesh Gupta）等[21]考虑利用5G网络来解决通信延迟问题，并探讨了在5G背景下互联网和物联网的区别。

2020年随着5G技术的逐渐成熟，关于触觉互联网的相关研究开始快速增多。有研究团队分析了未来网络应用的特点和需求，提出了一种适应触觉互联网的新型网络体系结构FlexNGIA[22];研究了5G技术的高可靠和低延迟通信（uRLLC）服务在触觉互联网中遇到的问题和应用趋势[23];结合5G技术，根据具体的应用和网络架构来减少网络延迟[24];开发了一个通用的触觉互联网可扩展测试平台即TIXT[25]。也有研究团队认为新技术的迅猛发展将促进传统视听媒体扩展到包括触觉在内的多模式应用[26]。夏尔马（Sharma）等[27]提出了一个5G无线通信领域的通用框架，包括体系结构、主要技术要求、关键应用领域和潜在技术，并构架了未来的研究方向。魏萌等[28]提出了一种基于软件定义网络（ SDN） 的多层触觉互联网端到端体系结构来解决延迟问题。阿拉姆（Alam）[29]提出了下一代智能城市触觉互联网的构想。

从2014年触觉互联网概念提出到现在已经历时7年，意识领先的研究机构和高校已经开始率先布局触觉互联网研究工作，但是总体来说这方面研究还相对薄弱，其商用价值还有待进一步挖掘释放。据CNKI统计分析，截至2021年3月24日，在CNKI以篇名检索触觉互联网，仅有92篇文献，其中86篇英文文献，6篇中文文献。此外，涌现了触觉互联网方面的著作，诸如《基于5G Wi-Fi架构的触觉互联网》《人在回路中的触觉互联网》《打造5G触觉互联网》等。

随着5G技术成熟和商用的广泛推广，触觉互联网迎来新的发展契机。尤其是5G毫米波频段能够提供更大的信道容量，支持更高的通信速率，提供厘米级的高精度定位服务。5G毫米波能够通过营造5G混合现实智慧应用场景，增强8K超高清视频直播效果，为人们带来更好的应用体验。5G毫米波支持的触觉互联网或许可以带来“共情”，如身体域网络、多感官混合现实、情感和触觉交流。[30]这将更有利于推进触觉传递和技能交互，但是也要克服路损（path-loss）和雨衰（rain-attenuation）的缺陷。随着5G、AIoT、VR、AR、MR等技术的迅速发展，触觉互联网可以实现人类触觉的远程精准传递，未来感知互联网也将成为可能，信息、技能的传递将超越视听觉、触觉，甚至包括人类情感在内的更多感知与感觉。

二、触觉互联网提升智慧互联水平

（一）触觉互联网应用框架

触觉互联网应用框架由触觉化身用户、触觉互联网、触觉机器人三部分组成，如图2所示。触觉互联网可以实现在线人机触感交互与控制，在线传递人类技能。触觉通信对低延迟、高速率、大容量具有较高要求，以5G为核心的多网融合满足了触觉实时通信的要求。触觉互联网通过触觉通信实时在线传递与控制物理感觉，触觉精准感知与精准反馈、触觉编码与解码决定着触感技能互联体验。触觉通信包括触觉控制数据（动觉和触觉反馈）和非触觉控制数据（如语音和视频）。触觉化身用户通常需要穿戴触觉感知设备传递触觉或接收在线触觉反馈。触觉传感器采集的触觉信息经过触觉编码后，在触觉互联网中传递给触觉化身用户，触觉解码后转化成触觉终端指令让用户在真实和虚擬环境中触摸、感受和操作对象。触觉互联网提供了触觉信息的双向高速通信，实现人类触觉和技能的精准传递。触觉互联网需要超可靠、超灵敏和安全的网络连接，以实现典型可靠性和延迟的实时触觉和非触觉交互。

触觉互联网的关键技术包括触觉机器人、触觉传感器（触觉终端）、触觉感知、触觉反馈、触觉交互（触摸屏）、触觉通信（触觉传感、触觉编码与解码）。触觉机器人是未来触觉互联网的核心体现，通过触觉传感器感知触觉信息能力是衡量触觉机器人的重要性能指标。触觉机器人达到人类感知和处理触觉信息的能力，将是触觉机器人发展的终极目标。高性能的触觉传感器将赋予触觉机器人更精准的触觉能力，人机触觉互动和智慧互联将成为现实。触觉传感器是感知触感信息的重要触觉设备。触觉反馈装置又称为触觉执行器，可以提供触觉反馈。在触觉互联网中，利用移动边缘计算可以使集中式的云功能分布到无线接入网的边缘，从而减少延迟，克服传统云计算导致触觉互联网响应时间延迟的问题。

（二）智慧互联七层次模型

近年来，我国加快了智慧教育、智慧教育示范区、智慧校园建设，全国智慧教育蓬勃发展。尤其是“十四五”开局之年，智慧教育被写入了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》。这意味着，智慧教育受到国家高度重视，对这个问题的认识已上升到国家战略层面。然而，智慧教育如何体现“智慧”一直是教育界的“痛点”，困扰着智慧教育的研究者和实践者。触觉互联网、感知互联网和技能互联网将会提升智慧互联水平，成为破解“智慧”难题的新途径。

智慧互联又称智能互联，是指以技术和网络互联为核心，实现媒体、平台、数据、资源、人和物的互联互通。智慧互联也可看作是智能互联的目的和结果，智能互联是实现智慧互联的途径。智慧互联七层次模型，如图3所示。智慧教育领域中的智慧互联从低到高分为七个层次：（1）技术互联，即物联网大数据、人工智能、互联网等多种技术的融合。（2）网络互联（多网融合），即5G、Wi-Fi 6/全光网、AIoT、广播电视网、智能电网等多网络融合。（3）媒体互联，即智能互联终端、智能手机、智慧黑板、平板电脑、台式机等多种媒体互联，实现全媒体学习。（4）平台互联，即国家/省/市系统平台、校内系统平台、校外培训系统平台等互联互通。（5）数据互联，即借助系统平台互联，实现教学类数据、管理类数据、科研类数据、服务类数据等数据共享。（6）资源互联，即实现纸质书、智慧课程、云教材、超高清视频交互资源、裸眼3D资源等各种资源互联互通。（7）人物互联，即实现人与人、物与物、人与物互联（脑机接口）。智慧互联打破了技术、网络、媒体、平台、数据、资源、人和物的边界，有利于打破“数据孤岛”“信息孤岛”“业务孤岛”“应用孤岛”“服务孤岛”，促进数据、信息、业务、应用和服务的融合创新，提升教育智慧化水平，让用户获得智慧教育服务的高体验感和高满意度。

智慧教育的“智慧”主要体现为显性智慧（基础设施智能化、系统平台智能互联等）、隐性智慧（理念、方法、应用的智慧化）和创新智慧（教育系统整体性变革、创新引领教育发展、教育治理现代化、创新人才培养等）三个层次。智慧互联既有利于提升教育的显性智慧，又有利于提升教育的隐性智慧和创新智慧。触觉互联网将加速互联网向类脑架构进化，促进互联网具备视觉、听觉、触觉、运动神经系统，甚至拥有记忆神经系统、中枢神经系统和自主神经系统，最终产生互联网云脑，甚至具有一定的人类智慧。[31]物联网可视为互联网云脑的感觉神经系统，云计算可视为互联网云脑的中枢神经系统，大数据可视为互联网云脑的信息基础，5G、Wi-Fi 6可视为互联网云脑神经系统的延伸，智能终端、边缘计算可视为互联网云脑的神经末梢。

三、触觉互联网在线教育应用前景展望

（一）触觉互联网为动觉学习者提供在线学习新路径

目前，触觉互联网研究仍属于前瞻性研究，其商用价值还有待进一步彰显。从本质上看，触觉互联网与互联网相比，拓展了原有的视听信息通道，增加了触觉信息通道。触觉互联网的诞生使得技能在线传递成为可能，触觉的远程控制与交互延伸了人类技能学习方式。从学习方式看，触觉互联网将变革人类学习方式，催生触觉学习方式。学习者借助可穿戴触觉装置，可以获得动觉学习体验，开拓基于触觉互联网的动作技能在线学习新路径。

（二）触觉互联网增强在线教育触觉临场感

临场感缺失是困扰在线教育发展的难题，这也是在线教育难以达到线下教育同质同效的根本原因。[32]未来在线教育形态、OMO（Online-Merge-Offline，线上和线下的深度融合）教育形态、传统教育形态将呈现协同发展态势，尤其是OMO教育形态将会受到师生的青睐。虽然5G时代的直播教育，建立了超高速信息传播通道，创新了在线教育形态，在情感交流、临场感、交互性、教学资源时效性、个性化学习体验等方面具有显著优势，但是仍然难以弥补在线教育的触感缺失。[33]触觉互联网打破了视听二元在线教育资源传输的状态，加入了触觉在线教育资源形态。这将改变在线教育资源的呈现方式，重塑视、听、触觉多模态智慧学习环境，增强在线教育触觉临场感，从而在一定程度上破解在线教育临场感缺失的难题。

（三）触觉互联网催生在线教育新场景

目前，触觉互联网的研究主要集中于遥感控制、自动驾驶、远程医疗、游戏等领域，在教育中尚处于萌芽状态。触觉互联网具有超低延迟、高可靠性、高安全性、触觉实时交互等特点。这将使得构建实时触觉交互系统成为可能，为教育领域提供增强型在线实时触觉交互体验，让师生在学习过程中获得触觉感官支持。触觉互联网的教育应用潜能值得挖掘，在未来在线教育中具有广阔的应用前景。

根据触觉互联网的功能和特点，可以预测未来触觉互联网将会在五大场景中发挥重要作用：（1）触觉教育机器人。教育机器人具有视觉、听觉和触觉能力，可以开展触觉技能相关的书法教学、武术陪练、钢琴演奏、实验演示等。（2）在线实时技能学习。例如，触觉感应手套记录教师手指操作行为，并进行触觉编码和解码，通过触觉通信传递到远程学习者，可以用于精准学习演奏乐器的姿势和指法、手术操作技能的精准培训、精准操作的仿真训练等。（3）远程触觉实验与体验。触觉互联网延伸了人类的触觉，增强了人机智慧互联，这为开展远程触觉实验、交流触觉体验创设了环境。触觉互联网还可以通过实时触觉交互与控制，远程感知环境，增强人类的远程感知能力。例如，在地球上远程感知月球、火星的环境，识别月壤的硬度、颗粒度大小，体验月球引力等。（4）盲人触觉补偿。触觉是盲人与外界进行信息交流的重要感知通道。触觉传感器可以补偿盲人触觉感知能力，触觉互联网可以实现盲人人机触觉互联。例如，延伸盲人智能手机的触感技能，增强盲文通信，让盲人获得更好的触感体验。（5）基于具身认知的触觉反馈学习环境。沉浸式强触觉反馈学习环境，有利于学习者开展基于具身认知的各种活动，从而增強触觉学习方式的学习效果。从脑科学看，人类学习活动与环境、资源、情绪等具有相互增强的关系，学习的过程就是人脑与外部环境进行信息交换的过程，沉浸式强触觉交互有助于增强神经元联结，进而提升人类的智慧。

四、触觉互联网变革未来在线教育的建议

目前，触觉互联网正处于成长阶段，其商用推广价值有待进一步挖掘。为更好地促进触觉互联网在教育中的应用，未来建议：第一，要加快触觉互联网、触觉教育机器人、触觉传感器、触觉反馈技术等关键技术的研发速度，加强人力、物力、财力方面的投入。第二，加快推进触觉终端产品研发，推进触觉互联网应用市场化。第三，在教育领域中试点超前部署触觉互联网，推进触觉互联网变革未来在线教育实践探索。触觉互联网在教育领域中的应用尚处于萌芽阶段，但是已经显现出巨大的应用潜能。期待更多的专家学者关注触觉互联网的教育应用，推进触觉学习方式，开启“人机共融”新时代。

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（责任编辑 孙志莉）