手柄漂移背后的科学原理

作者:原作者 Aaron White。 IGN中国 2021-04-25 6.6k

如果你曾经因为手柄的摇杆自己乱动而导致操作失误、错过某个关键的判定、或是跌入无底的深渊,那么你可能就是手柄摇杆漂移的受害者。这是一个异常烦人、难以修复并且似乎范围还在不断扩大的毛病。如果你想知道手柄漂移的原因(以及如何修复它?),我们就要先从手柄背后运作的科学原理开始了解。



基本上来说,让所有电子元件运作起来的东西已经写在名字里了,那就是电子。运动的电子产生电流,而电流则为我们的各种设备提供能源。

你的手柄如何运作

在各种设备塑料或是金属的外壳下,就是各种设备的电子骨架:印刷电路板。无论你的手机、电脑还是手柄,电子元件最重要的东西都在电路板上。电路板设计上是要将电流送到不同的地方来实现不同的功能。例如在按下按键时发出信号,或是电源指示灯、亦或是感测摇杆的方位,利用的都是这个原理。这些电路板都经过精心设计,确保电流只经过特定的导电材料(通常是铜),不会到处乱流。

这些电流必须精确控制,如果电流乱动的话,它们就会导致电源快速损耗并且产生大量热能,从而让你的内部元件损坏,设备本身就会坏掉。为了限制电流的流向,我们会在电路板上放置一些电阻元件,或是留出空隙。电路板上留出的空间必须要一定的输入才能让电流完成回路。而电阻元件仍能让电流通过,只是这条电路上的流速更慢,整体电流也会更小。因此,我们能够根据需求,将不同大小的能量送到电路板上的不同区域。基本上来说,电路中的电阻元件越多,电流就会越小。

举例来说:如果你按下一个按键,那么一个导电元件就会与电路板接触。这个动作填充了电路板上的空隙,让电流得以通过,产生一个该按键被按下的信号。这类特定的输出只有开与关两种,代表它的信号则是 0 或 1,这就是我们所说的电信号。

手柄的漂移现象

对摇杆来说,我们要知道的不止是它是否被按下,而是它朝向哪边,有多少力度。我们需要一个信号来记录这些输入,这也就是「模拟摇杆」这个概念的由来。

我们通过在电子元件中改变电流大小来代表不同的摇杆输入。当你使用摇杆时,实际上是在转动下方电子元件上的两个小轮子,它们叫做电位器。这两个轮子会与不同的电阻材料接触,原理与按键其实无异,这里的不同就在于信号不仅是有或无那么简单。

电流需要途径的电阻材料由轮子的旋转弧度决定,同时还会有一小片金属一起运动,决定电流通过的地方。记住,电路中的电阻材料越多,电流就越小。如果你把摇杆使劲推向一边,下方的轮子就会转到最远,所以电流就必须流经全部电阻材料。如果你轻微推动摇杆,那么只会有一小部分电阻接入电路。因此,你的每个不同操作都会带来不同的电流,产生不同的信号。

手柄会识别两个轮子上不同的电流信号,反馈成为摇杆 X 轴与 Y 轴的位置。之后,手柄将这个信息转交给游戏主机,反馈成为你的移动或是视角的变动,以及游戏设计师为其赋予的其他功能。

一切运转正常时,电流会以 1:1 的信号指示出摇杆的位置。而摇杆的漂移现象,则是因为有东西在我们没有使用摇杆时,影响了这个电流。


造成这个现象的原因可能有很多:可能是灰尘或者皮屑阻碍了电阻的感应,进而导致电流大小变动。感应装置附近的导电材料也有可能因为使用而磨损消耗,导致特定部位的电阻变化,产生错误的信号。也有可能是手柄在生产过程中的问题导致出厂就有漂移的毛病。在不拆开外壳仔细检查的情况下,几乎不可能说清楚到底是什么原因造成的。

不过随着越来越多漂移现象的出现,这背后一定是有什么系统性的问题。

任天堂的 Joy-Con 手柄数年来广为玩家所诟病,去年微软也因 Xbox 手柄遭到诉讼,PS5 DualSense 手柄发售后几个月出现同样的毛病,导致索尼也面临着法律问题。深挖这件事,你会发现 V 社的 Steam 手柄也有着同样的漂移问题。似乎是大家都避免不了的通病。

我个人的体验来看,已经有 3 个 PS4 手柄开始漂移,我的左右两只 Joy-Con 也没有幸免。不过奇怪的是,我有很多快 20 年历史的 GameCube 手柄却没有任何类似的问题,我还时不时用来玩《任天堂全明星大乱斗》。我认为任天堂应该不会忘记该怎么做好手柄,感觉更像是新硬件的问题。

为什么新的手柄会漂移?

无论你打开 DualShock、Xbox 还是 Switch Pro 手柄,你都会发现同样的基础电位器设计。知名硬件维修公司 iFixit 做了一些研究工作,追查到了 PS5 手柄中电位器的生产与型号,发现其使用寿命在 10 万至 200 万「Cycles」之间,具体取决于不同型号。「Cycles」的概念比较模糊,似乎意味着沿着某个轴进行一次完整的运动。而 iFixit 的计算显示出在数百小时的使用后,电位器就会开始磨损,你很可能就会体验到手柄漂移。

他们的分析非常到位,涵盖到了手柄漂移问题的大部分原因。现代手柄的设计从根本上来说使用寿命有限,而厂商们在宣传时并没有明确这一点。

对我来说,这不仅是做工问题,也是一个沟通问题。在工程圈子里有一个常识:好的设计需要质量好、价格便宜、性能可靠,但你只能三选二。手柄制造商们似乎只注重了前两点,而掘弃了第三点。

我们都希望现代手柄精度高。我们都希望在潜行时能够进行一些细微的移动,想要奔跑时又能摇杆推到底,游戏必须准确识别出摇杆的一举一动。精准的反馈需要较高的灵敏度,因此手柄对上文提到的各种问题就更加脆弱。同时,手柄的成本也必须控制在玩家可接受的范围,你可能会发现在网上寻找替换的电位器价格相当低廉。很可能有质量更好、更耐用的电位器,但手柄的整体价格就会更高。现在的手柄价格已经 300+ 起步了,再贵点消费者也许就不能接受。


所以我们现在就处于这样一个中间地带,手柄有着高灵敏度和「相对」较低的成本,但你的手柄总有可能会毫无预警地坏掉。如果我们与硬件生产商有足够的交流沟通,告诉他们希望手柄的使用寿命有多长,那么我们还是能避免目前这种程度的不满。不知道厂商们是真的希望手柄使用几百小时就会出问题,还只是单纯不想公之于众呢?许多手柄都标配有一年质保,但取决于你的游玩习惯,一年中能有多少游戏时间还是非常不同的。

我认为 Joy-Con 手柄的漂移问题是最为严重的。它们的电位器设计稍有不同,但设计原理也是通过不同的电阻和电流来反映出摇杆的位置。最大的不同在于 Joy-Con 的电阻放在摇杆的正下方,而其他手柄都采用了竖立放置。因此,Joy-Con 更容易受到灰尘的影响而出问题。在数个世代「任天堂合金」打造的质量优良的任天堂主机与手柄后,现在 Joy-Con 出现毛病尤为让人失落。有人认为只要精心护理手柄,就不会出现任何问题。显然这项技术背后的原理让这个观点不攻自破。

尽管有各种各样的问题,显然手柄生产商们需要做些什么来改善这个情况。从我的角度来看,他们可以采取以下几个不同的办法,但都不是什么很好的解决方案:


生产商们(可能会)如何修复漂移问题

他们可以重新设计追踪模拟摇杆的方法,着重于使用高质量、耐磨损的电位器,然后试着采用一个相对隔绝灰尘等污染物的设计。这样一定会减少漂移的现象,但或许不能完全解决这个问题。除了电位器之外,也能采用其他技术来实现遥感追踪。例如霍尔效应,利用电磁感应,无需物理接触便能追踪摇杆的位置,这样就能完全避免使用磨损和灰尘等问题。当然,现在的手柄似乎还是沿用了 20 年前的基本设计,想要大幅改进的话需要大量的工程设计,很有可能最后的价格也会更加昂贵。

还有一个方案是让手柄更加模块化,方便玩家自行更换出了问题的电位器。通常来说,厂家不希望玩家自行拆开手柄,这样可能会损坏其中的内电子元件。任天堂采用了不常见的螺丝钉、就是为了防止玩家自行拆机。想象一下手柄也推出类似以前 N64 强化包的套件,能够方便玩家在不拆开外壳的情况下更换一些内部元件。


最后一个方案,我觉得肯定也是最不可能实现的,那就是厂商对玩家公开手柄的使用寿命。如果我们知道手柄在设计上能够使用多长时间,那么我们就能提前规划好购买计划,而不是像在赌博一样,每天提心吊胆不知道什么时候会出现问题。公开使用寿命也更方便追究责任,如果硬件过早出现问题,那么我们就更应该讨论手柄的定价问题了。这个解决方案显然对生产商没有什么好处,但至少也能对他们目前面临的法律问题有一点帮助。

如何解决手柄漂移问题,目前仍然没有一个明确的答案。但是随着更多消费者奋起反抗,厂商也会更早停下踢皮球的行为,去找到一个更加务实的解决方案。

作者:原作者 Aaron White。
来源:IGN中国
地址:https://www.ign.com.cn/playstation-5/32225/opinion/

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