Jeśli chodzi o haptyczne informacje zwrotne, większość technologii jest ograniczona do prostych wibracji. Ale nasza skóra jest obciążona drobnymi czujnikami, które wykrywają ciśnienie, wibracje, rozciąganie i wiele innych.
Teraz inżynierowie Uniwersytetu Northwestern zaprezentowali nową technologię, która tworzy precyzyjne ruchy, aby naśladować te złożone odczucia.
Badanie zostanie opublikowane 28 marca w czasopiśmie Science.
Siedząc na skórze, kompaktowe, lekkie, bezprzewodowe urządzenie nakłada siłę w dowolnym kierunku, aby wygenerować różne odczucia, w tym wibracje, rozciąganie, ciśnienie, przesuwanie i skręcanie. Urządzenie może również łączyć odczucia i działać szybko lub powoli, aby symulować bardziej dopracowane, realistyczne poczucie dotyku.
Urządzenie zasilane małą akumulatorami, urządzenie wykorzystuje Bluetooth do bezprzewodowego łączenia się z słuchawkami rzeczywistości wirtualnej i smartfonami. Jest również mały i wydajny, więc można go umieścić w dowolnym miejscu na ciele, w połączeniu z innymi siłownikami w tablicach lub zintegrowany z obecną elektroniką do noszenia.
Naukowcy przewidują, że ich urządzenie ostatecznie może poprawić wirtualne doświadczenia, pomóc osobom z zaburzeniami wizualnymi w nawigacji w otoczeniu, odtworzyć poczucie różnych tekstur na płaskich ekranach zakupów online, zapewnić dotykowe informacje zwrotne na temat odległych wizyt w opiece zdrowotnej, a nawet umożliwić osobom z zaburzeniami słuchu w celu „poczucia” muzyki.
„Prawie wszystkie dotychczasowe siłowniki naprawdę po prostu szturchają skórę” – powiedział John A. Rogers z Northwestern, który prowadził projekt urządzenia. „Ale skóra jest otwarta na znacznie bardziej wyrafinowane zmysły dotyku. Chcieliśmy stworzyć urządzenie, które może zastosować siły w dowolnym kierunku – nie tylko szturchanie, ale pchając, skręcając i przesuwając. Zbudowaliśmy niewielki siłownik, który może popchnąć skórę w dowolnym kierunku i w dowolnej kombinacji kierunków. Wraz z nią możemy skomplikować złożoną sensację dotyku w pełni programowalny sposób.”
Rogers, pionierem w dziedzinie bioelektroniki, jest Louis A. Simpson i Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering i Neurological Surgery, z mianowaniem w McCormick School of Engineering i Northwestern University Feinberg School of Medicine. Kieruje także Instytutem Bioelektroniki Querrey Simpson. Rogers współpracował z pracą z Yonggang Huang z Northwestern, profesorem Jan i Marcia Achenbach w zakresie inżynierii mechanicznej oraz profesorem inżynierii obywatelskiej i środowiskowej w McCormick. Kyoung-ho, Jaeyoung Yoo i Shupeng Li Northwestern są autorami badań.
Badanie opiera się na poprzednich pracach Rogersa i Huanga, w których zaprojektowali programowalną gamę miniaturowych siłowników wibracyjnych, aby przekazać poczucie dotyku.
Haptic zwis
W ostatnich latach technologie wizualne i słuchowe doświadczyły wybuchowego wzrostu, zapewniając bezprecedensowe zanurzenie przez urządzenia takie jak wysoka wierność, głęboko szczegółowe głośniki dźwięku przestrzennego i w pełni wciągające gogle wirtualnej rzeczywistości. Jednak technologie happtics głównie płaskowyże. Nawet najnowocześniejsze systemy oferują tylko brzęczące wzorce wibracji.
Ta luka rozwojowa wynika głównie z niezwykłej złożoności ludzkiego dotyku. Poczucie dotyku obejmuje różne rodzaje mechanoreceptorów (lub czujników) – każdy z własną czułością i charakterystyką reakcji – znajdującą się na różnych głębokościach w skórze. Gdy te mechanoreceptory są stymulowane, wysyłają sygnały do mózgu, które są tłumaczone jako dotyk.
Odtworzenie tego wyrafinowania i niuansu wymaga precyzyjnej kontroli nad typem, wielkością i czasem bodźców dostarczanych do skóry. Stanowi to ogromne wyzwanie, które obecne technologie walczyły – i nie udało się pokonać.
„Jednym z powodów, dla których Haptic Technology opóźnia wideo i audio w swoim bogactwie i realizmie jest to, że mechanika deformacji skóry jest skomplikowana”-powiedział J. Edward Colgate z Northwestern, pionier happtics i współautor badania. „Skóra można wbić lub rozciągnąć na boki. Rozciąganie skóry może się zdarzyć powoli lub szybko, i może się zdarzyć w złożonych wzorach na pełnej powierzchni, takich jak pełna dłoni dłoni”.
Uwolniony siłownik
Aby zasymulować tę złożoność, zespół Northwestern opracował pierwszego siłownika z pełną swobodą ruchu (FOM). Oznacza to, że siłownik nie jest ograniczony do jednego rodzaju ruchu lub ograniczonego zestawu ruchów. Zamiast tego może poruszać się i stosować siły we wszystkich kierunkach wzdłuż skóry. Te dynamiczne siły angażują wszystkie mechanoreceptory w skórę, zarówno indywidualnie, jak i w połączeniu ze sobą.
„To duży krok w kierunku zarządzania złożonością poczucia dotyku” – powiedział Colgate, Walter P. Murphy profesor inżynierii mechanicznej w McCormick. „Siłownik FOM to pierwsze małe, kompaktowe urządzenie dotykowe, które może szturchać lub rozciągać skórę, działać wolno lub szybko i być stosowane w tablicach. W rezultacie można go stosować do wytworzenia niezwykłego zakresu odczuć dotykowych”.
Mierząc zaledwie kilka milimetrów wielkości, urządzenie wykorzystuje niewielki magnes i zestaw cewek drutowych, ułożony w konfiguracji gniazdowej. Gdy energia elektryczna przepływa przez cewki, wytwarza pole magnetyczne. Kiedy to pole magnetyczne oddziałuje z magnesem, wytwarza siłę wystarczająco mocną, aby poruszać, pchać, ciągnąć lub skręcić magnes. Łącząc siłowniki z tablicami, mogą odtworzyć uczucie szczypania, rozciągania, ściskania i stukania.
„Osiągnięcie zarówno kompaktowego projektu, jak i silnej mocy jest kluczowe” – powiedział Huang, który prowadził pracę teoretyczną. „Nasz zespół opracował modele obliczeniowe i analityczne w celu zidentyfikowania optymalnych projektów, zapewniając, że każdy tryb generuje swój składnik maksymalnego siły przy jednoczesnym minimalizowaniu niepożądanych sił lub momentów”.
Ożywianie wirtualnego świata
Po drugiej stronie urządzenia zespół dodał akcelerometr, który umożliwia mu ocenę orientacji w przestrzeni. Dzięki tym informacjom system może dostarczyć haptycznej informacji zwrotnej w oparciu o kontekst użytkownika. Jeśli na przykład siłownik jest na przykład, akcelerometr może wykryć, czy ręka użytkownika jest w górę, czy w dół. Akcelerator może również śledzić ruch siłownika, dostarczając informacji o jego prędkości, przyspieszeniu i rotacji.
Rogers powiedział, że ta zdolność śledzenia ruchu jest szczególnie przydatna podczas poruszania się po przestrzeniach lub dotykaniu różnych tekstur na płaskim ekranie.
„Jeśli przesuniesz palcem po kawałku jedwabiu, będzie on miał mniej tarcia i przesunie się szybciej niż podczas dotykania sznurka lub jaja” – powiedział. „Możesz sobie wyobrazić zakupy ubrania lub tkaniny online i chcieć poczuć teksturę”.
Oprócz replikacji codziennych doświadczeń dotykowych platforma może również przenosić informacje przez skórę. Zmieniając częstotliwość, intensywność i rytm haptycznej informacji zwrotnej, na przykład zespół przekonwertował dźwięk muzyki na fizyczny dotyk. Byli także w stanie zmienić tony, zmieniając kierunek wibracji. Poczucie, że te wibracje umożliwiło użytkownikom rozróżnienie różnych instrumentów.
„Byliśmy w stanie podzielić wszystkie cechy muzyki i zmapować je w sensacje dotykowe bez utraty subtelnych informacji związanych z określonymi instrumentami” – powiedział Rogers. „To tylko jeden przykład tego, w jaki sposób można zastosować poczucie dotyku do uzupełnienia kolejnego doświadczenia sensorycznego. Uważamy, że nasz system może pomóc w dalszym zmniejszeniu luki między światami cyfrowymi i fizycznymi. Dodając prawdziwe poczucie dotyku, interakcje cyfrowe mogą wydawać się bardziej naturalne i angażujące”.
Tytuł badania to „pełne siłowniki wolności ruchu jako zaawansowane interfejsy dotykowe”.