VoxeLite включает множество крошечных, индивидуально управляемых узлов, встроенных в тонкий, растягиваемый лист латекса. Эти мягкие узлы функционируют как пиксели прикосновения, каждый способный вдавливаться в кожу с высокой скоростью и в точные узоры.
Инженеры Северо-Западного университета разработали первое тактильное устройство, которое достигает «человеческого разрешения», то есть точно соответствует чувствительным способностям человеческого пальца.
Под названием VoxeLite — это ультратонкое, лёгкое, гибкое носимое устройство воссоздаёт ощущения прикосновения с той же чёткостью, деталями и скоростью, которую кожа естественно воспринимает. Подобно бинту, устройство аккуратно обвивает кончик пальца, чтобы придать цифровому прикосновению ту же реалистичность, которую люди теперь ожидают от современных экранов и колонок.
Сочетая высокое пространственное разрешение с комфортной, носимой форм-фактором, VoxeLite может изменить то, как люди взаимодействуют с цифровыми средами, включая более захватывающие системы виртуальной реальности, вспомогательные технологии для людей с нарушениями зрения, интерфейсы человек-робот и улучшенные сенсорные экраны.
«Прикосновение — последнее важное чувство без настоящего цифрового интерфейса», — сказала Сильвия Тан из Северо-Западного университета, возглавлявшая исследование. «У нас есть технологии, которые делают всё выглядеть и звучать реально. Теперь мы хотим, чтобы текстуры и тактильные ощущения казались реальными.
«Наше устройство движет поле к этой цели. Мы также сделали его удобным, чтобы люди могли носить его длительное время, не снимая для выполнения других задач. Это как люди носят очки весь день и даже не думают о них.»
«Эта работа представляет собой крупный научный прорыв в области гаптики, впервые представив технологию, достигающую "человеческого разрешения", — сказал Дж. Эдвард Колгейт из Северо-Западного университета, пионер гаптики и старший автор исследования.
«Он способен передавать тактильную информацию коже с пространственным и временным разрешением сенсорной системы.»
Колгейт занимает должность профессора машиностроения имени Уолтера. Мерфи в Школе инженерии Маккормика Северо-Западного университета и директором Центра инженерных исследований Национального научного фонда по человеческой аугментации через ловкость (HAND).
Колгейт и его состарший автор Майкл Пешкин, старший профессор дизайна имени Аллена К. и Джонни Корделла Брида и профессор машиностроения в МакКормике, являются давними соавторами и пионерами в области тактической технологии. Тан — аспирантка Центра робототехники и биосистем Северо-Западного университета, где её консультируют Колгейт и Пешкин.
VoxeLite может превращать плоские карты в тактильные массивы для людей с нарушениями зрения.
Нерешённые задачи в тактильном секторе
Несмотря на десятилетия прогресса в области высокого разрешения и реалистичного аудио, цифровой сенсор упорно отставал. Сегодняшняя тактильная обратная связь — в основном простые вибрации смартфона — не может передать ту богатую, детальную информацию, которую естественно воспринимают кончики пальцев. Частично это связано с тем, что пространственное и временное разрешение кожи известна своей сложностью для моделирования.
«Вспомни очень старые фильмы, когда количество кадров в секунду было очень низким, и движения казались дергаными. Это связано с низкой временной разрешённостью», — сказал Колгейт.
«Или вспомните ранние компьютерные дисплеи, где изображения были пикселизированы. Это низкое пространственное разрешение. В настоящее время обе задачи решаются для графических дисплеев. Однако тактильные экспозиции они далеки от решения. На самом деле, очень немногие исследователи даже пытались исследовать их вместе.»
Отдельные пиксели прикосновения
С помощью VoxeLite Тан, Колгейт и Пешкин приближают сферу к решению этих проблем. Устройство оснащено массивами крошечных, индивидуально управляемых узлов, встроенных в тонкий, растягиваемый лист латекса. Эти мягкие узлы функционируют как пиксели прикосновения, каждый способный вдавливаться в кожу с высокой скоростью и в точные узоры.
Каждый узел состоит из мягкого резинового купола, проводящего внешнего слоя и скрытого внутреннего электрода. При небольшом напряжении возникает электроадгезия — тот же принцип, по которому шар прилипает к стене после трения.
В своей ранее разработанной технологии TanvasTouch Colgate и Peshkin использовали электроадгезию для модуляции трения между кончиком пальца и гладкой поверхностью сенсорного экрана. В этих устройствах приложенное электрическое поле изменяет трение, создавая иллюзию текстуры, но не участвует в движущихся частях.
VoxeLite мог добавлять текстуры на сенсорные экраны, не мешая реальным задачам.
VoxeLite продвигает эту концепцию вперёд. Новая технология применяет электростатические силы точно и контролируемо, чтобы каждый крошечный узел «захватывал» поверхность и наклонялся, чтобы вдавить в кожу. Это создаёт сильно локализованную механическую силу, поэтому каждый «пиксель» прикосновения давит на кожу кончиком пальца.
Более высокие напряжения увеличивают трение при движении, создавая более выраженные тактильные сигналы, имитирующие ощущение шероховатой поверхности. С другой стороны, низкое напряжение создаёт меньшее трение и, следовательно, ощущение более скользкой поверхности.
«При проведении по электрически заземленной поверхности устройство регулирует трение на каждом узле, что приводит к контролируемым вмятинам на коже», — сказал Колгейт. «Прошлые попытки создать тактильные эффекты были большими, громоздкими, сложными устройствами. VoxeLite весит меньше грамма.»
Достижение человеческого решения
Чтобы создать ощущения человеческого разрешения, Тан плотно соединил узлы друг к другу. В самой плотной версии устройства узлы расположены примерно на расстоянии 1 миллиметра друг от друга. В пользовательском тестировании Тан использовал версию с расстоянием между узлами 1,6 миллиметра.
«Плотность узлов действительно важна для соответствия человеческой остроте», — сказал Тан. «Узлы должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы ваше тело могло их отличить. Если два узла находятся менее чем на миллиметре друг от друга, кончики пальцев чувствуют только один узел вместо двух. Но если узлы слишком далеко друг от друга, они не могут воссоздать мелкие детали. Чтобы ощущения казались реальными, мы хотели соответствовать человеческой остроте.»
VoxeLite работает в двух режимах: активном и пассивном. В активном режиме устройство создаёт виртуальные тактильные ощущения, быстро наклоняя и вставляя вмятины на отдельные узлы при движении пользователя по гладкой поверхности, например, по экрану смартфона или планшета. Узлы могут двигаться до 800 раз в секунду, покрывая почти весь диапазон частот человеческих прикосновения.
Сильвия Тан показывает различные прототипы VoxeLite. Тан и её команда тестировали разные плотности узлов, чтобы получить «человеческое разрешение».
Распознавание виртуальных текстур
В серии экспериментов участники, носящие устройство, точно и надёжно распознавали виртуальные текстуры, узоры и направления. Люди, носящие VoxeLite, определили эти направления — вверх, вниз, влево и вправо — с точностью до 87%. Они также выявили настоящие ткани, включая кожу, вельвет и махровую ткань, с точностью 81%.
В пассивном режиме устройство фактически исчезает. Поскольку он очень тонкий, мягкий и прилегает к коже, VoxeLite не мешает реальным задачам и не блокирует естественное ощущение осязания. Затем носители могут бесшовно переходить между реальными и цифровыми впечатлениями.
Для будущих версий устройства команда Northwestern видит технологию, которую можно сочетать со смартфонами и планшетами.
Точно так же, как наушники используют Bluetooth для взаимодействия с нашими устройствами, VoxeLite когда-нибудь сможет синхронизироваться с устройствами, превращая плоские, гладкие экраны в текстурированные интерфейсы. Это потенциально может привести к более реалистичным онлайн-шопингу, когда покупатели смогут попробовать ткани и ткани перед покупкой.
Это также может привести к тактильной карте для людей с нарушениями зрения или к более интерактивным играм, где игроки смогут почувствовать растяжение резинки или бугристые камни на утёсе.
«Что делает это особенно захватывающим — это сочетание пространственного и временного разрешения с удобством носимости», — сказал Тан.
«Люди склонны сосредотачиваться на одном из этих трёх аспектов, потому что каждый из них — очень сложный вызов. Наша лаборатория уже решила временное разрешение с помощью электроадгезии. Затем моя задача заключалась в том, чтобы сделать его пространственно распределённым и носимым. Дорога сюда действительно заняла время. Сейчас мы проводим исследования, чтобы понять, как люди на самом деле воспринимают и воспринимают эту тактильную информацию.»