פורץ דרך טכנולוגיה הפטיקה מחקה תחושות מגע מורכבות

כשמדובר במשוב האפטי, רוב הטכנולוגיות מוגבלות לרטט פשוט. אבל העור שלנו עמוס בחיישנים זעירים המגלים לחץ, רטט, מתיחות ועוד.

כעת, המהנדסים באוניברסיטת נורת'ווסטרן חשפו טכנולוגיה חדשה שיוצרת תנועות מדויקות כדי לחקות את התחושות המורכבות הללו.

המחקר יפורסם ב- 28 במרץ בכתב העת מַדָעו

בעודו יושב על העור, המכשיר הקומפקטי, קל משקל, אלחוטי מיישם כוח לכל כיוון כדי לייצר מגוון תחושות, כולל תנודות, מתיחה, לחץ, הזזה ופיתול. המכשיר יכול גם לשלב תחושות ולפעול במהירות או לאט כדי לדמות תחושת מגע ניואנסית ומציאותית יותר.

המכשיר מופעל על ידי סוללה נטענת קטנה, ומשתמש ב- Bluetooth כדי להתחבר באופן אלחוטי לאוזניות וסמארטפונים של מציאות מדומה. זה גם קטן ויעיל, כך שניתן למקם אותו בכל מקום על הגוף, בשילוב עם מפעילים אחרים במערכים או לשלב באלקטרוניקה לבישה נוכחית.

החוקרים רואים כי המכשיר שלהם בסופו של דבר יכול לשפר את החוויות הווירטואליות, לעזור לאנשים עם ליקויי ראייה לנווט בסביבתם, לשחזר את התחושה של מרקמים שונים על מסכים שטוחים לקניות מקוונות, לספק משוב מישוש לביקורי בריאות מרחוק ואף מאפשרים לאנשים עם ליקויי שמיעה למוזיקה "להרגיש".

"כמעט כל המפעילים ההאפטיים באמת פשוט מתנערים על העור", אמר ג'ון א. רוג'רס של נורת'ווסטרן, שהוביל את עיצוב המכשיר. "אבל העור פתוח לחניכי מגע הרבה יותר מתוחכמים. רצינו ליצור מכשיר שיכול להחיל כוחות לכל כיוון – לא רק לחטט אלא לדחוף, להתפתל ולהחליק. בנינו מפעיל זעיר שיכול לדחוף את העור לכל כיוון ובכל שילוב של כיוונים.

רוג'רס, חלוץ בביו -אלקטרוניקה, הוא פרופסור לואי א. סימפסון וקימברלי קוורי למדע והנדסה חומרים, הנדסה ביו -רפואית וניתוחים נוירולוגיים, עם פגישות בבית הספר להנדסה מק'קורמיק ובבית הספר לרפואה של פינברג באוניברסיטת צפון -מערב. הוא גם מכוון את מכון קוורי סימפסון לביו -אלקטרוניקה. רוג'רס בינה יחד את העבודות עם יונגאנג הואנג של נורת'ווסטרן, ג'אן ומרסיה אחנבאך להנדסת מכונות ופרופסור להנדסה אזרחית וסביבתית במקורמיק. Kyoung-ho-ha של נורת'ווסטרן, Jaeyoung Yoo ו- Shupeng Li הם המחברים הראשונים של המחקר.

המחקר בונה על עבודה קודמת ממעבדותיו של רוג'רס והואנג, בהן עיצבו מגוון ניתן לתכנות של מפעילים רוטטים מיניאטוריים כדי להעביר תחושת מגע.

הניתוק האפטי

בשנים האחרונות חוו טכנולוגיות חזותיות ושמיעתיות צמיחה נפוצה, והעבירו טבילה חסרת תקדים באמצעות מכשירים כמו נאמנות גבוהה, רמקולים של צליל היקף מפורט עמוק וממשלים של מציאות וירטואלית מעצמת לחלוטין. עם זאת, טכנולוגיות Haptics, בעיקר הושמו. אפילו מערכות עדכניות מציעות רק דפוסי רטט זמזומים.

פער התפתחותי זה נובע ברובו מהמורכבות יוצאת הדופן של המגע האנושי. תחושת המגע כוללת סוגים שונים של קולטני מכני (או חיישנים) – לכל אחד מהם מאפייני רגישות ותגובה משלו – הממוקמים בעומקים משתנים בתוך העור. כאשר מגורים קולטנים מכניים אלה הם שולחים אותות למוח, המתורגמים כמגע.

המשכפל כי התחכום והניואנסים דורשים שליטה מדויקת על סוג, גודל ותזמון הגירויים המועברים לעור. זה מהווה אתגר מסיבי, שהטכנולוגיות הנוכחיות נאבקו – ונכשלו – להתגבר.

"חלק מהסיבה שהטכנולוגיה האפטיק מפגרת וידאו ושמע בעושרו ובריאליזם שלה היא שהמכניקה של עיוות העור מסובכת", אמר ג'יי אדוארד קולגייט של נורת'ווסטרן, חלוץ האפטיקס וסופר משותף. "ניתן לחתוך עור או נמתח לצדדים. מתיחת העור יכולה לקרות באטיות או במהירות, והיא יכולה לקרות בתבניות מורכבות על פני משטח מלא, כמו כף היד המלאה של היד."

מפעיל שחרור

כדי לדמות את המורכבות הזו, הצוות הצפון -מערבי פיתח את המפעיל הראשון עם חופש תנועה מלא (FOM). המשמעות היא שהמפעיל אינו מוגבל לסוג תנועה אחד או מערך תנועות מוגבל. במקום זאת, הוא יכול לנוע ולהפעיל כוחות לכל הכיוונים לאורך העור. כוחות דינמיים אלה עוסקים בכל הקולטנים המכניים בעור, הן בנפרד והן בשילוב זה עם זה.

"זה צעד גדול לעבר ניהול המורכבות של תחושת המגע", אמר קולגייט, וולטר פ. מרפי להנדסת מכונות במקורמיק. "מפעיל ה- FOM הוא המכשיר ההפטי הקטן והקומפקטי הראשון שיכול לתנוע או למתוח עור, לפעול איטי או מהיר, ולהשתמש בו במערכים. כתוצאה מכך ניתן להשתמש בו כדי לייצר מגוון מדהים של תחושות מישוש."

המכשיר מודד רק כמה מילימטרים בגודל, רותם מגנט זעיר וקבוצה של סלילי תיל, המסודרים בתצורת קינון. כאשר החשמל זורם דרך הסלילים, הוא מייצר שדה מגנטי. כאשר אותו שדה מגנטי מקיים אינטראקציה עם המגנט, הוא מייצר כוח חזק מספיק כדי לנוע, לדחוף, למשוך או לסובב את המגנט. על ידי שילוב מפעילים למערכים, הם יכולים לשחזר את התחושה של צביטה, מתיחה, סחיטה והקשה.

"השגת עיצוב קומפקטי וגם תפוקת כוח חזקה היא קריטית", אמר הואנג, שהוביל את העבודה התיאורטית. "הצוות שלנו פיתח מודלים חישוביים ואנליטיים כדי לזהות עיצובים אופטימליים, מה שמבטיח שכל מצב מייצר את רכיב הכוח המרבי שלו תוך צמצום כוחות או מומנט לא רצויים."

להביא את העולם הווירטואלי לחיים

בצד השני של המכשיר, הצוות הוסיף מד תאוצה, המאפשר לו לאמוד את כיווןו בחלל. בעזרת מידע זה המערכת יכולה לספק משוב האפטי על בסיס הקשר המשתמש. אם המפעיל נמצא על יד, למשל, מד האצה יכול לגלות אם היד של המשתמש היא כף היד או כף היד למטה. המאיץ יכול גם לעקוב אחר תנועת המפעיל, ומספק מידע על המהירות, האצה והסיבוב שלה.

רוג'רס אמר כי יכולת מעקב תנועה זו שימושית במיוחד בעת ניווט בחללים או נוגעת במרקמים שונים על גבי מסך שטוח.

"אם אתה מריץ את האצבע לאורך חתיכה משי, יהיה לו פחות חיכוך ויחליק מהר יותר מאשר כשאתה נוגע בקורדרוי או יוטה," אמר. "אתה יכול לדמיין קניות בגדים או בדים ברשת ולרצות להרגיש את המרקם."

מעבר לשכפול חוויות מישוש יומיומיות, הפלטפורמה יכולה גם להעביר מידע דרך העור. על ידי שינוי התדירות, העוצמה והקצב של משוב האפטי, הצוות המיר את צליל המוזיקה למגע פיזי, למשל. הם גם הצליחו לשנות צלילים רק על ידי שינוי כיוון התנודות. הרגשת רטט אלו אפשרו למשתמשים להבדיל בין מכשירים שונים.

רוג'רס אמר כי "הצלחנו לפרק את כל המאפיינים של המוסיקה ולמפות אותם לתחושות הפטיקיות מבלי לאבד את המידע העדין הקשור למכשירים ספציפיים." "זו רק דוגמא אחת לאופן בו ניתן להשתמש בתחושת המגע כדי להשלים חוויה חושית אחרת. אנו חושבים שהמערכת שלנו יכולה לעזור לסגור את הפער בין העולמות הדיגיטליים והפיזיים. על ידי הוספת תחושת מגע אמיתית, אינטראקציות דיגיטליות יכולות להרגיש טבעיות ומרתקות יותר."

כותרת המחקר היא "מפעילי חופש תנועה מלאה כממשקים מתקדמים של האפטיק."