3D-графика, которую можно видеть и чувствовать
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре изобрели технологию отображения для графики на экране, которая одновременно видима и тактилена, то есть её можно ощущать на ощупь.
Экраны украшены крошечными пикселями, которые расширяются наружу, при освещении образуя бугорки, позволяя отображать динамические графические анимации, которые можно увидеть глазами и ощущать рукой. Эта технология однажды может позволить создавать визуально-тактильные сенсорные экраны высокого разрешения для автомобилей, мобильных вычислений или интеллектуальных архитектурных стен.
Макс Линнандер, аспирант в лаборатории RE Touch профессора машиностроения Йона Визеля, возглавил исследование, опубликованное в журнале Science Robotics.
Виселл предложил бросить вызов Линнандеру, когда тот впервые пришёл в UCSB в конце сентября 2021 года. «Вопрос был достаточно прост: можно ли превратить свет, который формирует изображение, в нечто, что можно почувствовать?» — сказал Линнандер.
«Мы не знали, возможно ли это», — добавил Виселл. «Возможность того, что это может быть невозможно — и сама идея дать людям возможность 'чувствовать лёгкость' — делали этот вопрос неотразимым.»
Команда провела почти год, тестируя свою идею, в течение которого они отрабатывали теоретические основы и проводили компьютерные моделирования. Имея в руках жизнеспособную концепцию, они начали разрабатывать прототипы в лаборатории. Прошли месяцы без успеха.
Затем, в декабре 2022 года, Линнандер привёл Виселла в лабораторию. «Я работал над этим целый год. Я собирался вылететь в аэропорт через несколько часов, и только что запустил свой последний прототип», — сказал он.
Он показал Визелю свой простой, функциональный прототип — один пиксель, возбуждаемый короткими световыми вспышками от маленького диодного лазера, без другой электроники.
«Я положила палец на пиксель и почувствовала ясный тактильный пульс, когда мигал свет», — вспоминала Виселл. «Это был особенный момент — момент, когда мы поняли, что основная идея может сработать.»
В основе технологии лежат тонкие поверхности дисплея, интегрирующие массивы оптотактильных пикселей размером в миллиметр. Пиксели индивидуально управляются проецируемым светом от маломощного лазера — формы оптической адресации.
Тот же источник света питает пиксели, которые содержат заполненную воздухом полость и подвешенную тонкую графитовую плёнку. Плёнка поглощает поступающий свет и быстро повышает температуру, что, в свою очередь, нагревает захватывающий воздух. Воздух расширяется, и верхняя поверхность пикселя отклоняется наружу до одного миллиметра — создавая легко заметный выступ над освещённым пикселем.
Процесс настолько быстрый, что сканирование светового луча через множество пикселей последовательно даёт динамическую графику — контуры, движущиеся формы, символы — которую можно как увидеть, так и ощущать. Частота обновления достаточно высокая, чтобы анимации выглядели и ощущались непрерывно, как на привычных видеодисплеях.
Поскольку свет обеспечивает как освещение, так и питание, поверхности дисплея не требуют встроенной проводки или электроники. Вместо этого небольшой сканирующий лазер скользит по поверхности с высокой скоростью, освещая каждый пиксель на долю секунды.
Технология также масштабируема: команда продемонстрировала устройства с более чем 1 500 независимо адресуемыми пикселями — значительно больше, чем сопоставимые тактильные дисплеи, сообщанные на сегодняшний день, отметил Линнандер. Он добавил, что возможны гораздо более крупные форматы, включая дисплеи с использованием современных лазерных видеопроекторов.
Исследователи также изучали, что пользователи воспринимают при взаимодействии с дисплеями. С помощью касания участники смогли точно сообщать о расположении отдельных освещённых пикселей с миллиметровой точностью, точно воспринимать движущиеся графики и легко различать пространственные и временные узоры.
Исследователи подчёркивают, что эти результаты свидетельствуют о том, что система способна производить широкий спектр тактильного контента.
Хотя результаты команды выделяются среди предыдущих технологий дисплеев, Виселл отметил, что идея превращения света в механическое действие имеет значительные предыстории.
В XIX веке Александр Грэм Белл и другие использовали сфокусированный солнечный свет, модулируемый лопастями вращающегося вентилятора, чтобы возбудить звук в пробирках, наполненных воздухом. Те же физические принципы, лежащие в основе оптоактильных пикселей, теперь применены и к цифровым отображениям.
Стимул в эксперименте 6 перцептивного исследования был создан последовательной активацией пикселей, выделенных синим цветом, при этом числа определяли порядок активации.
Эти визуально-тактильные дисплеи могут найти применение во многих областях. Визель предполагает, что эту технологию можно использовать для создания автомобильных сенсорных экранов, имитирующих физические органы управления, электронных книг с ощутимыми иллюстрациями, оживающими на странице, и архитектурных поверхностей смешанной реальности, объединяющих цифровой и физический миры.
Что бы ни ждало будущее, технология, которую его команда изобрела, воплощает простую и интригующую идею: всё, что видишь, можно и почувствовать.