Пристрій виходить за межі простих вібрацій, створюючи витончений і різноманітний діапазон тактильних відчуттів. Більшість тактильних технологій сьогодні обмежені доставкою простих вібрацій. Однак людська шкіра оснащена широким набором датчиків, які можуть виявляти тиск, розтягування, вібрацію та інші тактильні ознаки. Тепер інженери з Північно-західного університету розробили нову технологію, яка створює точні, контрольовані рухи для відтворення цих складних відчуттів.
Дослідження нещодавно було опубліковано в журналі Science.
Цей компактний, легкий і бездротовий пристрій сидить безпосередньо на шкірі та застосовує силу в будь-якому напрямку, створюючи широкий спектр відчуттів, включаючи вібрацію, тиск, розтягування, ковзання та скручування. Він також може комбінувати ці ефекти та регулювати швидкість для отримання більш реалістичного та деталізованого відчуття дотику.
Пристрій живиться від невеликої акумуляторної батареї та бездротово підключається до гарнітур віртуальної реальності та смартфонів через Bluetooth. Його ефективна, портативна конструкція дозволяє розмістити його будь-де на тілі, використовувати в масивах з іншими приводами або інтегрувати в існуючу електроніку.
Дослідники бачать потенціал пристрою для покращення віртуальної реальності, допомагаючи користувачам із вадами зору орієнтуватися в середовищі, імітуючи текстури на плоских екранах для онлайн-покупок, пропонуючи тактильний зворотний зв’язок під час дистанційних медичних візитів і навіть дозволяючи людям з вадами слуху «відчувати» музику.
«Майже всі тактильні приводи просто тикають по шкірі», — сказав Джон А. Роджерс з Northwestern, який керував розробкою пристрою. «Але шкіра сприйнятлива до набагато складніших дотиків. Ми хотіли створити пристрій, який міг би прикладати зусилля в будь-якому напрямку — не тільки штовхати, але штовхати, скручувати та ковзати. Ми створили крихітний привод, який може штовхати шкіру в будь-якому напрямку та в будь-якій комбінації напрямків. З ним ми можемо точно контролювати комплексне відчуття дотику повністю програмованим способом».
Піонер у галузі біоелектроніки, Роджерс є професором матеріалознавства та інженерії Луїса А. Сімпсона та Кімберлі Куеррі, біомедичної інженерії та неврологічної хірургії, працює в Інженерній школі Маккорміка та Медичній школі Фейнберга Північно-Західного університету. Він також керує Інститутом біоелектроніки імені Кверрі Сімпсона. Роджерс очолював роботу разом із професором машинобудування Яна та Марсії Ахенбах з Northwestern Yonggang Huang, а також професором цивільної та екологічної інженерії в McCormick. Kyoung-Ho Ha, Jaeyoung Yo,o та Shupeng Li з Northwestern є співавторами дослідження.
Дослідження базується на попередній роботі лабораторій Роджерса та Хуанга, в якій вони розробили програмований масив мініатюрних вібраційних приводів для передачі відчуття дотику.
Тактильне зависання
В останні роки візуальні та аудіальні технології пережили вибуховий розвиток, забезпечуючи безпрецедентне занурення за допомогою таких пристроїв, як високоточні динаміки з об’ємним звуком з глибокою деталізацією та окуляри віртуальної реальності, що повністю захоплюють. Проте тактильні технології здебільшого перейшли на плато. Навіть найсучасніші системи пропонують лише дзижчання вібрації.
Цей розрив у розвитку здебільшого виникає через надзвичайну складність людського дотику. Відчуття дотику включає різні типи механорецепторів (або сенсорів) — кожен зі своєю чутливістю та характеристиками реакції — розташованих на різній глибині шкіри. Коли ці механорецептори стимулюються, вони посилають сигнали в мозок, які перекладаються як дотик.
Відтворення цієї витонченості та нюансів потребує точного контролю над типом, величиною та часом подразників, що подаються на шкіру. Це являє собою величезну проблему, яку сучасні технології не змогли подолати.
«Частиною причин, чому тактильна технологія відстає від відео та аудіо за своєю насиченістю та реалістичністю, є те, що механізми деформації шкіри є складними», — сказав Дж. Едвард Колгейт з Northwestern, піонер тактильної техніки та співавтор дослідження. «Шкіра може бути проштовхнута або розтягнута вбік. Розтягнення шкіри може відбуватися повільно або швидко, і це може відбуватися у вигляді складних візерунків по всій поверхні, наприклад повній долоні».
Актуатор розв’язаний
Щоб імітувати таку складність, команда Northwestern розробила перший привод із повною свободою руху (FOM). Це означає, що привід не обмежений одним типом руху або обмеженим набором рухів. Натомість він може рухатися та прикладати зусилля в усіх напрямках уздовж шкіри. Ці динамічні сили залучають усі механорецептори шкіри, як окремо, так і в поєднанні один з одним.
«Це великий крок до управління складністю відчуття дотику», — сказав Колгейт, професор машинобудування Уолтера П. Мерфі в McCormick. «Привід FOM є першим невеликим, компактним тактильним пристроєм, який може штовхати або розтягувати шкіру, працювати повільно або швидко, і використовуватися в масивах. Як наслідок, його можна використовувати для створення чудового діапазону тактильних відчуттів».
Пристрій розміром лише кілька міліметрів використовує крихітний магніт і набір дротяних котушок, розташованих у гніздовій конфігурації. Коли електрика протікає через котушки, вона створює магнітне поле. Коли це магнітне поле взаємодіє з магнітом, воно створює силу, достатню для того, щоб рухати, штовхати, тягнути або крутити магніт. Об’єднуючи приводи в масиви, вони можуть відтворювати відчуття щипання, розтягування, стискання та постукування.
«Досягнення як компактної конструкції, так і потужної вихідної сили має вирішальне значення», — сказав Хуан, який очолював теоретичну роботу. «Наша команда розробила обчислювальні та аналітичні моделі для визначення оптимальних конструкцій, гарантуючи, що кожен режим генерує максимальну компоненту сили, мінімізуючи небажані сили або крутні моменти».
Оживлення віртуального світу
На іншій стороні пристрою команда додала акселерометр, який дозволяє вимірювати його орієнтацію в просторі. За допомогою цієї інформації система може забезпечити тактильний зворотний зв’язок на основі контексту користувача. Якщо привід знаходиться на руці, наприклад, акселерометр може визначити, чи рука користувача розташована долонею вгору чи долонею вниз. Прискорювач також може відстежувати рух приводу, надаючи інформацію про його швидкість, прискорення та обертання.
Роджерс сказав, що ця можливість відстеження руху особливо корисна під час навігації в просторі або торкання різних текстур на плоскому екрані.
«Якщо ви проведете пальцем по шматку шовку, він матиме менше тертя та ковзатиме швидше, ніж торкаючись вельвету чи мішковини», — сказав він. «Ви можете собі уявити, що ви купуєте одяг або тканини в Інтернеті й хочете відчути текстуру».
Крім відтворення щоденних тактильних вражень, платформа також може передавати інформацію через шкіру. Змінюючи частоту, інтенсивність і ритм тактильного зворотного зв’язку, команда перетворювала звук музики, наприклад, на фізичний дотик. Вони також могли змінювати тони, просто змінюючи напрямок вібрацій. Відчуття цих вібрацій дозволяло користувачам розрізняти різні інструменти.
«Ми змогли розбити всі характеристики музики та відобразити їх у тактильних відчуттях, не втрачаючи тонкої інформації, пов’язаної з конкретними інструментами», — сказав Роджерс. «Це лише один приклад того, як відчуття дотику можна використовувати для доповнення іншого сенсорного досвіду. Ми вважаємо, що наша система може допомогти ще більше скоротити розрив між цифровим і фізичним світами. Додавши справжнє відчуття дотику, цифрова взаємодія може здаватися більш природною та привабливою».