Тактильді технологиялар және сезіну қабілеті

Тактильді технология: сезіну, күш, діріл арқылы қолмен байланыс жасау. Виртуалды дүниеде қолдану, роботтарды басқару, ойын контроллерлері.

10 мин оқу

100%

Дереккөз: Haptic technology — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Қолмен жанасуды қамтитын кез келген өзара әрекеттесу түрі.

Тактильді технология (сондай-ақ кинестетикалық байланыс немесе 3D-жанасу) – бұл пайдаланушыға күш, діріл немесе қозғалыс арқылы жанасу сезімін тудыратын технология. Бұл технологиялар компьютерлік симуляцияда жасанды нысандарды жасауға, жасанды нысандарды басқаруға және машиналар мен құрылғыларды қашықтан басқаруды жақсартуға (телероботика) қолданылуы мүмкін. Тактильді құрылғылар интерфейске қолданылатын күшті өлшейтін сезімтал датчиктерді қамтуы мүмкін. "Haptikos" сөзінен шыққан "тактильді" сөзі "тактильді, жанасу сезіміне қатысты" дегенді білдіреді. Ойын контроллері, джойстиктер және рульдер сияқты қарапайым тактильді құрылғылар кең таралған. Тактильді технология адамның жанасу сезімінің қалай жұмыс істейтінін зерттеуді жеңілдетеді, бақыланатын тактильді жасанды нысандарды жасауға мүмкіндік береді. Көптеген зерттеушілер адамдардағы жанасу сезіміне қатысты үш сезімтал жүйені ажыратады: тері, кинестетикалық және тактильді. Тері және кинестетикалық сезімталдық арқылы жүзеге асырылатын барлық қабылдаулар тактуалды қабылдау деп аталады. Жанасу сезімі пассивті және белсенді болып жіктелуі мүмкін, ал "тактильді" термині көбінесе нысандарды тану немесе сезіну үшін белсенді жанасумен байланысты.

Тарих

Таңдау технологиясының алғашқы қолданылуларының бірі басқару беттерін басқару үшін сервомеханизм жүйелерін қолданатын ірі ұшақтарда болды. Серво жүйелері жоқ жеңіл ұшақтарда ұшақ тұраққа жақындаған кезде, аэродинамикалық соққылар (сүрлеулер) ұшқыштың басқаруында сезілді. Бұл қауіпті ұшу жағдайы туралы пайдалы ескерту болды. Серво жүйелері көбінесе "бір жақты" болып табылады, яғни басқару беттеріне аэродинамикалық түрде қолданылатын сыртқы күштер басқаруда сезілмейді, нәтижесінде бұл маңызды сенсорлық сигналдың жоғалуына әкеледі. Бұл мәселені шешу үшін жоғалған қалыпты күштер серіппелер мен салмақтармен симуляцияланады. Шабуыл бұрышы өлшенеді, ал сынған нүктеге жақындаған кезде қарапайым басқару жүйесінің реакциясын симуляциялайтын таяқ шайқағыш іске қосылады. Сонымен қатар, серво күшін өлшеу және сигналды басқарудағы серво жүйесіне бағыттау мүмкін, бұл күшті кері байланыс деп те аталады. Кейбір экскаваторларда күшті кері байланыс эксперименттік түрде іске асырылды және балшыққа немесе сазға салынған үлкен тастар сияқты аралас материалдарды қазу кезінде пайдалы. Ол операторға "сезінуге" және көрінбейтін кедергілерді айналып өтуге мүмкіндік береді. 1960 жылдары Пол Бах и Рита 20x20 металл таяқшалар массивін пайдаланып, экранның пиксельдеріне ұқсас тактильді "дақтар" шығара отырып, көруді ауыстыру жүйесін жасады. Осы құрылғымен жабдықталған креслода отырған адамдар артына тыққан нүктелердің үлгісінен суреттерді тани алады. Америкада алғаш рет тактильді телефонға патент 1973 жылы Томас Д. Шеннонға берілді. Адам-машина байланыс жүйесін 1970 жылдардың басында А. Майкл Нолл Bell Telephone Laboratories, Inc. компаниясында құрастырды және оның өнертабысына 1975 жылы патент берілді. 1994 жылы Aura Interactor жилеті жасалды. Жапқыш - аудио сигналды бақылайтын және бас дыбыс толқынын соққы немесе тепкі сияқты әрекеттерді білдіретін тербеліске айналдыратын электромагниттік актуатор технологиясын пайдаланатын киілетін күшті кері байланыс құрылғысы. Жилет стерео, теледидар немесе бейнекамераның дыбыс шығысына қосылады және дыбыс сигналы жилетке орнатылған динамик арқылы қайталанады. 1995 жылы Томас Масси PHANToM (Жеке HAptic iNTerface Механизмі) жүйесін әзірледі. Ол компьютерлік қолдың ұшында бармақ тәрізді ыдыс пайдаланып, оған адамның саусағын салып, компьютер экранында бір затты "сезінуге" мүмкіндік береді. 1995 жылы норвегиялық Гейр Дженсен қол сағатының "Tap in" деп аталатын, теріге шұғыл механизмі бар тактильді құрылғысын сипаттады. Қол сағаты Bluetooth арқылы ұялы телефонмен байланысады, ал жиілік үлгілерін шерту арқылы оны киген адам шақырушыларға таңдалған қысқа хабарлармен жауап беруге мүмкіндік береді. 2015 жылы Apple Watch шығарылды. Ол терідегі әсерді сезімталдандырып, ұялы телефон арқылы ескертулер мен хабарламаларды жібереді.

One of the earliest applications of haptic technology was in large aircraft that use servomechanism systems to operate control surfaces. In lighter aircraft without servo systems, as the aircraft approached a stall, the aerodynamic buffeting (vibrations) was felt in the pilot's controls. This was a useful warning of a dangerous flight condition. Servo systems tend to be "one way", meaning external forces applied aerodynamically to the control surfaces are not perceived at the controls, resulting in the lack of this important sensory cue. To address this, the missing normal forces are simulated with springs and weights. The angle of attack is measured, and as the critical stall point approaches a stick shaker is engaged which simulates the response of a simpler control system. Alternatively, the servo force may be measured and the signal directed to a servo system on the control, also known as force feedback. Force feedback has been implemented experimentally in some excavators and is useful when excavating mixed material such as large rocks embedded in silt or clay. It allows the operator to "feel" and work around unseen obstacles. In the 1960s, Paul Bach y Rita developed a vision substitution system using a 20x20 array of metal rods that could be raised and lowered, producing tactile "dots" analogous to the pixels of a screen. People sitting in a chair equipped with this device could identify pictures from the pattern of dots poked into their backs. The first US patent for a tactile telephone was granted to Thomas D. Shannon in 1973. An early tactile man machine communication system was constructed by A. Michael Noll at Bell Telephone Laboratories, Inc. in the early 1970s and a patent was issued for his invention in 1975. In 1994, the Aura Interactor vest was developed. The vest is a wearable force feedback device that monitors an audio signal and uses electromagnetic actuator technology to convert bass sound waves into vibrations that can represent such actions as a punch or kick. The vest plugs into the audio output of a stereo, TV, or VCR and the audio signal is reproduced through a speaker embedded in the vest. In 1995, Thomas Massie developed the PHANToM (Personal HAptic iNTerface Mechanism) system. It used thimble like receptacles at the end of computerized arms into which a person's fingers could be inserted, allowing them to "feel" an object on a computer screen. In 1995, Norwegian Geir Jensen described a wristwatch haptic device with a skin tap mechanism, termed Tap in. The wristwatch would connect to a mobile phone via Bluetooth, and tapping frequency patterns would enable the wearer to respond to callers with selected short messages. In 2015, the Apple Watch was launched. It uses skin tap sensing to deliver notifications and alerts from the mobile phone of the watch wearer.

Механикалық сенсорлық сенсорлардың түрлері

Адамның терідегі механикалық жүктемені сезінуін механорецепторлар басқарады. Механорецепторлардың көптеген түрлері бар, бірақ саусақ ұшындағылары көбінесе екі санатқа бөлінеді: Жылдам әрекет ететін (FA) және баяу әрекет ететін (SA). SA механорецепторлары салыстырмалы түрде үлкен кернеуге және төмен жиіліктерге сезімтал, ал FA механорецепторлары жоғары жиіліктерде кіші кернеуге сезімтал. Осының нәтижесінде, SA сенсорлары әдетте 200 микрометрден жоғары амплитудалы текстураларды, ал FA сенсорлары 200 микрометрден төмен амплитудалы текстураларды шамамен 1 микрометрге дейін анықтай алады. Дегенмен, кейбір зерттеулер FA тек саусақ іздерінің толқын ұзындығынан кіші текстураларды ғана анықтай алады деп көрсетеді. FA механорецепторлары үйкеліс және саусақ іздерінің текстурасының ұсақ беттік текстурамен өзара әрекеттесуінен туындайтын дірілдерді сезу арқылы мұндай жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізеді.

Іске асыру

Мысалдарды қарау үшін қосымшалардың тармақтарына жүгініңіз.

Таңдау реакциясы

Тактильдік кері байланыс (көбінесе жай ғана тактильдік деп қысқартылады) – ойындағы әрекетті бейнелейтін сезімді қамтамасыз ету үшін белгілі бір жиіліктер мен интервалдарда басқарылатын дірілдемелер; бұл қолдың немесе саусақтардың "соққылары", "үрлеулері" және "тиісуі" сияқты сезімдерді қамтиды. Тактильдік кері байланыс ұсынатын көптеген электрондық құрылғылар дірілдемелерді пайдаланады, ал көпшілігі эксцентрикалық айналмалы масса (ERM) актуаторын қолданады, ол мотор білігіне бекітілген теңгерімсіз салмақтан тұрады. Білік айналғанда, бұл теңгерімсіз массаның айналуы актуаторды және оған қосылған құрылғыны дірілдетеді. Пьезоэлектрлік актуаторлар да дірілдемелерді жасау үшін қолданылады және LRA-ға қарағанда әлдеқайда дәл қозғалыс ұсынады, шу деңгейі төмен және кішкентай платформада орналасады, бірақ ERM және LRA-ға қарағанда жоғары вольттажды талап етеді.

Шұғыл

Гулдул – бұл сезімдік әсердің бір түрі, ол әртүрлі жиіліктерде үздіксіз дірілдеу арқылы жүзеге асырылады.

Күшті кері байланыс

Күшті кері байланыс құрылғылары пайдаланушы ұстаған заттың қозғалысын басқару үшін электрмоторларды қолданады. Олар көбінесе автомобильдерді жүргізуге арналған бейне ойындар мен симуляторларда қолданылады, мұнда рульді бұру арқылы нақты көлікте бұрылыс кезінде сезілетін күштер имитацияланады. 2013 жылы ұсынылған тікелей жетекті дөңгелектер сервомоторларға негізделген және күш пен дәлдігі жағынан ең жоғары сапалы күшті кері байланыс жарыс дөңгелектері болып табылады. 2007 жылы Novint Falcon құрылғысын шығарды, ол жоғары ажыратымдылықтағы үш өлшемді күшті кері байланысы бар тұтынушыларға арналған алғашқы 3D сенсорлық құрылғысы еді. Бұл ойындарда заттардың, текстуралардың, кері соққының, инерцияның және заттардың физикалық болуының сезімін имитациялауға мүмкіндік берді.

Ауалық айналым сақиналары

Ауалық айналымдар – концентрирленген ауа ағындарынан құралған, донат пішіндес ауа қуыстары. Шоғырланған ауа бұрқанақтары бірнеше метр қашықтықтан шамды сөндіруге немесе қағаздарды қимылға келтіруге жеткілікті күшке ие. Microsoft Research (AirWave) және Disney Research (AIREAL) компаниялары ауа айналымдарын контактісіз сезімдік кері байланыс жүйесінде пайдаланған.

Ультрадыбыстық зерттеу

Ойылған ультрадыбыс сәулелері физикалық затқа тиместен саусаққа жергілікті қысым сезімін тудыруға болады. Қысым сезімін тудыратын фокустық нүкте ультрадыбыс аудартқыштар массивіндегі әрбір аудартқыштың фазасы мен қарқындылығын жеке-жеке басқару арқылы жасалады. Бұл сәулелер тербеліс сезімдерін жеткізуге және пайдаланушыларға виртуалды 3D нысандарды сезу мүмкіндігін беруге де қолданылуы мүмкін. Коммерциялық сатылымға түскен алғашқы ультрадыбыс құрылғысы Ultrahaptics компаниясының Stratos Explore болды, ол 256 аудартқыштан тұратын массивтік тақтадан және қолды бақылауға арналған Leap Motion контроллерінен құралды.

Тактильді кері байланыстың тағы бір түрі – адамның бетін сканерлеу (бармағын бетке жүгірту) арқылы бет пішіні туралы ақпарат алу кезіндегі белсенді тию. Осы әрекет арқылы микрометрлік масштабта бет пішіні туралы маңызды ақпарат жинауға болады, себебі үйкеліс пен текстурадан туындайтын тербелістер адам терісіндегі механорецепторларды белсендіреді. Осы мақсатта пластиналарды ультрадыбыстық жиілікте тербелтуге болады, бұл пластина мен тері арасындағы үйкелісті азайтады.

Электрлік ынталандыру

Электрлік бұлшықетті стимуляциясы (ЭМС) және тері арқылы электрлік нервтерді стимуляциясы (ТЭНС) теріде немесе бұлшықеттерде сезінулерді тудыру үшін қолданылуы мүмкін. Ең танымал мысалдарға тактильді костюмдер, «Tesla» костюмі, «Owo» тактильді жилеті және «Valkyrie EIR» тоғасы кіреді. Бұл технологиялар, мысалы, оқ тиюін имитациялау арқылы, әсер етуді күшейтумен қатар, салмақ және қарсылық сияқты сезімдерді жасауға және бұлшықет жаттығуларын қолдауға бағытталған.

Автомобильдік

Көлік құралдарының панельдерінде үлкен сенсорлық басқару панелдерінің пайда болуымен, жүргізушінің назарын жолдан аудармай, сенсорлық командалардың орындалғанын сезіну үшін тактильді кері байланыс технологиясы қолданылады. Руль немесе орындық сияқты қосымша беттер де жүргізушіге тактильді ақпарат бере алады, мысалы, басқа көліктерге жақын келгенде ескерту ретінде тербеліс үлгісін жіберу арқылы.

Өнер

Дыбыс синтезі немесе графикалық дизайн сияқты виртуалды өнер салаларында сезімдік технологиялар зерттелді, олар кейбір шалақы көріністер мен анимацияны жасауға мүмкіндік береді. 2015 жылы Tate Sensorium көрмесінде қолданыстағы өнер туындыларын жақсарту үшін сезімдік технология қолданылды. Музыка шығаруда швед синтезатор өндірушісі Teenage Engineering өздерінің OP Z синтезаторы үшін музыканттарға төмен жиіліктерді тікелей аспаптарында сезінуге мүмкіндік беретін сезімдік субвуфер модулін ұсынды.

Әуе қатынасы

Күшті кері байланыс қауіпсіз ұшу режимін ұстануға көмектеседі, осылайша ұшқыштардың операциялық шектеулерден тыс қауіпті жағдайларға түсу қаупі төмендейді, ұшқыштардың шешім қабылдау құқығын сақтай отырып және олардың ахуалды бағалауын арттырады.

Медицина және стоматология

Медициналық симуляция үшін гаптикалық интерфейстер лапароскопия және интервенциялық радиология сияқты аз инвазивті процедураларды оқыту үшін, сондай-ақ стоматология студенттерін оқыту үшін жасалып жатыр. Виртуалды гаптикалық арқа (ВГБ) Огайо университетінің остеопатиялық медицина колледжінің оқу жоспарына сәтті енгізілді. Гаптикалық технология телехирургияны дамытуға мүмкіндік берді, бұл сарапты хирургтарға қашықтықтан пациенттерге операция жасауға мүмкіндік береді. Хирург кесік жасағанда, ол тікелей пациентпен жұмыс істеп жатқандай сезімдік және қарсылық кері байланысын сезінеді. Гаптикалық технология сонымен қатар қарт адамдардағы тепе-теңдік бұзылуларын жеңілдету және құлаудың алдын алу үшін сезімдік кері байланыс беруге көмектеседі. Ветеринариялық оқытуда «Гаптикалық сиыр» және «Гаптикалық жылқы» қолданылады.

Нейрореабилитация

Жоғарғы шелімдердің моторлық дисфункциясы бар адамдар үшін, тактильді кері байланыс қолданатын роботтық құрылғылар нейрореабилитация үшін пайдаланылуы мүмкін. Роботтық құрылғылар, мысалы, соңғы эффекттер және жерге тірелген және тірелмеген экзоскелеттер бірнеше бұлшықет топтарын басқаруды қалпына келтіруге көмектесу үшін жасалған. Осы роботтық құрылғылармен қолданылатын тактильді кері байланыс, оның тереңдеу сипатының арқасында сезімдік функцияның қалпына келуіне көмектеседі.

Қимыл-қозғалыс

Денелік жұмбақтар күрделі 3D кеңістікте мақсатқа бағытталған денелік зерттеу, іздеу, оқыну және есте сақтауды зерттеу мақсатымен жасалған. Мақсаты – көп саусақты роботтарды сезіну қабілетімен жабдықтау, сондай-ақ адамның мета-оқынуы туралы жаңа түсініктер алу.

Жеке компьютерлер

2015 жылы Apple Inc. компаниясының MacBook және MacBook Pro ноутбуктерінде батырма функциялары мен иесіз сенсорлық кері байланысы (haptic feedback) енгізілген "Tactile Touchpad" дизайны қолданыла бастады.

Робототехника

Телебағдарлама арқылы күрделі тапсырмаларды орындау үшін сезімдік кері байланыс маңызды. "Shadow Hand" – әр буын мен саусақ жастығына орнатылған 129 сенсоры бар, олар операторға ақпарат жібереді. Бұл қашықтан теру сияқты тапсырмаларды орындауға мүмкіндік береді. Оның алғашқы прототипін NASA-ның адам тәрізді роботтар, немесе робонавттар жинағынан көруге болады.

Сезімталдық алмастыру

2015 жылдың желтоқсанында Дэвид Иглмен сөйлеу және басқа да дыбыс сигналдарын тербелістер тізбегіне "айналдыратын" киілетін жилетті көрсетті, бұл есту қабілеті бұзылған адамдарға дыбыстарды денелерінде "сезінуге" мүмкіндік берді, кейіннен ол коммерциялық түрде білезік ретінде шығарылды.

Ғарыш

Хабарларға сәйкес, сезімтал технологияларды қолдану ғарыш зерттеулерінде, оның ішінде Марс планетасына сапар жасауда тиімді болуы мүмкін.

Тактильді электрондық дисплейлер

Тактильді электрондық дисплей – қолмен сезіну арқылы мәтіндік және графикалық ақпаратты жеткізетін дисплей құрылғысы. Осындай құрылғылар көру немесе есту қабілеттері бұзылған адамдарға көмектесу үшін, оларға визуальды немесе естімелік сезімдерге балама ретінде әзірленген.

Телеоператорлар мен симуляторлар

Телеоператорлар – қашықтан басқарылатын роботтық құралдар. Операторға әсер ететін күштер туралы кері байланыс берілген кезде, бұл тактильді телеоперация деп аталады. Алғашқы электрмен іске қосылатын телеоператорларды 1950 жылдары Аргонн ұлттық зертханасында радиоактивті заттарды қашықтан басқару үшін Реймонд Гертц жасаған. Содан бері күшті кері байланыстың қолданылуы басқа да телеоператорларда, мысалы, қашықтан басқарылатын су асты зерттеу құрылғыларында кеңірек таралды. Медициналық және ұшқыш симуляторлары сияқты құрылғылар идеалды жағдайда нақты өмірде сезілетін күшті кері байланысты қамтамасыз етеді. Симуляцияланған күштер тактильді операторлық басқару арқылы жасалады, бұл сезімдерді бейнелейтін деректерді сақтауға немесе қайта ойнатуға мүмкіндік береді.

Теледильдоника

Денелік сезімдік кері байланыс теледильдоникада, яки "жыныстық технологияда" жыныстық ойыншықтарды қашықтан қосу және пайдаланушыларға виртуалды жыныстық қатынасқа түсуге немесе қашықтан серверге жыныстық ойыншықты басқаруға мүмкіндік беру үшін қолданылады. Бұл термин алғаш рет 1975 жылы Тед Нельсон махаббат, жақындық және технологияның болашағын талқылағанда қолданылған. Соңғы жылдары теледильдоника мен жыныстық технологиялар өрісі кеңейіп, дірілдер, қысымдар мен сезімдер арқылы виртуалды жыныстық қатынасқа мүмкіндік беретін екі жақты байланысы бар ойыншықтарды қамтиды. Көптеген "ақылды" вибраторлар пайдаланушы мен қашықтағы серіктес арасындағы бір жақты байланысты қамтамасыз етеді, бұл ойыншықты басқаруға мүмкіндік береді.

Виртуалды шындық

Денеге тигізетін сезімдер виртуалды шындық жүйелерінің маңызды бөлігі ретінде кеңінен қабылдануда, бұрын тек көруге арналған интерфейстерге ұстау сезімін қосады. 3D модельдеу және жобалау үшін денеге тигізетін интерфейстерді пайдалануға арналған жүйелер жасалуда, соның ішінде голограммаларды көруге және сезуге мүмкіндік беретін жүйелер де бар. Бірнеше компания толық денеге немесе кеудеге арналған денеге тигізетін жилеттерді немесе костюмдерді виртуалды шындықта қолдану үшін жасап жатыр, бұл пайдаланушыларға жарылыстар мен оқтардың соққысын сезінуге мүмкіндік береді.