Тактильные технологии: ощущение прикосновения и обратная связь

Тактильные технологии (haptics): создание ощущения прикосновения с помощью вибраций и сил. Применение в играх, робототехнике и виртуальной реальности.

11 мин чтения

100%

Источник: Haptic technology — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Любая форма взаимодействия, включающая прикосновение.

Тактильная технология (также кинестетическая коммуникация или 3D-прикосновение) – это технология, способная создавать ощущение прикосновения посредством воздействия сил, вибраций или движений на пользователя. Эти технологии могут использоваться для создания виртуальных объектов в компьютерном моделировании, для управления виртуальными объектами и для улучшения дистанционного управления машинами и устройствами (телероботика). Тактильные устройства могут включать тактильные сенсоры, измеряющие усилия, прикладываемые пользователем к интерфейсу. Слово «гаптический» (от греч. haptikos) означает «тактильный, относящийся к ощущению прикосновения». Простые тактильные устройства широко распространены в виде игровых контроллеров, джойстиков и рулевых колёс. Тактильная технология облегчает изучение работы человеческого чувства осязания, позволяя создавать контролируемые тактильные виртуальные объекты. Большинство исследователей выделяют три сенсорные системы, связанные с осязанием у человека: кожную, кинестетическую и тактильную. Все ощущения, опосредованные кожной и кинестетической чувствительностью, объединяются понятием тактильного восприятия. Ощущение прикосновения может быть классифицировано как пассивное и активное, при этом термин «гаптический» часто ассоциируется с активным прикосновением, используемым для коммуникации или распознавания объектов.

История

Одно из первых применений тактильных технологий было в больших самолетах, использующих системы сервоприводов для управления рулевыми поверхностями. В более легких самолетах, не оснащенных сервосистемами, пилот ощущал аэродинамическое трепыхание (вибрации) органов управления при приближении к сваливанию. Это служило полезным предупреждением об опасном режиме полета. Сервосистемы, как правило, работают в "одном направлении", то есть внешние силы, действующие на рулевые поверхности аэродинамически, не передаются на органы управления, что приводит к потере этого важного сенсорного сигнала. Для решения этой проблемы отсутствующие нормальные силы имитируются с помощью пружин и грузов. Измеряется угол атаки, и по мере приближения к критической точке сваливания включается "шэйкер штанги", имитирующий реакцию более простой системы управления. Альтернативно, можно измерить усилие сервопривода и направить сигнал на сервосистему, установленную на органах управления, также известную как силовая обратная связь. Силовая обратная связь была экспериментально реализована в некоторых экскаваторах и полезна при работе со смешанными материалами, такими как крупные камни, заключенные в ил или глину. Она позволяет оператору "чувствовать" и обходить невидимые препятствия. В 1960-х годах Пол Бах-и-Рита разработал систему замещения зрения, использующую массив из 20x20 металлических стержней, которые можно было поднимать и опускать, создавая тактильные "точки", аналогичные пикселям экрана. Люди, сидящие в кресле, оснащенном этим устройством, могли распознавать изображения по рисунку точек, вдавливаемых в спину. Первый патент США на тактильный телефон был выдан Томасу Д. Шеннону в 1973 году. Ранняя тактильная система взаимодействия человека и машины была создана А. Майклом Ноллом в Bell Telephone Laboratories, Inc. в начале 1970-х годов, а патент на его изобретение был выдан в 1975 году. В 1994 году был разработан жилет Aura Interactor. Жилет – это носимое устройство с силовой обратной связью, которое отслеживает аудиосигнал и использует электромагнитные приводы для преобразования низкочастотных звуковых волн в вибрации, которые могут имитировать такие действия, как удар или пинок. Жилет подключается к аудиовыходу стереосистемы, телевизора или видеомагнитофона, а аудиосигнал воспроизводится через динамик, встроенный в жилет. В 1995 году Томас Масси разработал систему PHANToM (Personal Haptic iNTerface Mechanism). Она использовала наперсткообразные приемники на концах роботизированных рук, в которые можно было вставить пальцы человека, позволяя им "чувствовать" объекты на экране компьютера. В 1995 году норвежец Гейр Йенсен описал тактильное устройство в виде наручных часов с механизмом тактильного касания кожи, названным Tap in. Часы подключались к мобильному телефону через Bluetooth, а шаблоны частоты касаний позволяли владельцу отвечать на звонки короткими сообщениями. В 2015 году были представлены Apple Watch. Они используют сенсорное касание кожи для доставки уведомлений и оповещений с мобильного телефона владельца часов.

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.

Типы механических сенсорных датчиков

Человеческое восприятие механической нагрузки на кожу осуществляется механорецепторами. Существует несколько типов механорецепторов, но те, что находятся в подушечке пальца, обычно подразделяются на две категории: быстрореагирующие (FA) и медленнореагирующие (SA). Механорецепторы SA чувствительны к относительно высоким напряжениям и низким частотам, в то время как механорецепторы FA чувствительны к низким напряжениям и высоким частотам. В результате датчики SA обычно способны обнаруживать текстуры с амплитудой более 200 микрометров, а датчики FA – текстуры с амплитудой менее 200 микрометров, вплоть до примерно 1 микрометра, хотя некоторые исследования предполагают, что FA могут обнаруживать только текстуры, меньшие длины волны отпечатка пальца. Механорецепторы FA достигают такого высокого разрешения восприятия, регистрируя вибрации, возникающие при трении и взаимодействии текстуры отпечатка пальца с мелкозернистой поверхностью.

Реализация

Смотрите подразделы в разделе "Приложения" для примеров.

Тактильная обратная связь

Тактильная обратная связь (часто сокращаемая просто до "тактики") – это управляемые вибрации с определенной частотой и интервалами, создающие ощущение, соответствующее действию в игре; это включает в себя "толчки", "удары" и "касания" руки или пальцев. Большинство электронных устройств с тактильной обратной связью используют вибрацию, и в большинстве из них применяется тип привода с эксцентрическим вращающимся грузом (ERM), состоящий из несбалансированного веса, прикрепленного к валу двигателя. При вращении вала вращение этой неравномерной массы вызывает дрожание привода и подключенного к нему устройства. Пьезоэлектрические приводы также используются для создания вибраций и обеспечивают еще более точное движение, чем LRA, с меньшим шумом и в более компактном корпусе, но требуют более высокого напряжения, чем ERM и LRA.

Громкость

Гул — это вид тактильной обратной связи, гул — это просто устойчивая вибрация на различных частотах.

Силовая обратная связь

Приборы обратной связи используют двигатели для управления движением предмета, удерживаемого пользователем. Распространенное применение – автомобильные видеоигры и симуляторы, в которых руль поворачивается, имитируя силы, возникающие при прохождении поворотов в реальном автомобиле. Колеса с прямым приводом, представленные в 2013 году, основаны на сервомоторах и являются наиболее совершенным типом гоночных рулей с обратной связью, обеспечивающим максимальную мощность и точность. В 2007 году Novint выпустила Falcon – первое потребительское 3D-устройство с высоким разрешением, обеспечивающее трехмерную тактильную обратную связь. Это позволило создавать тактильные ощущения от объектов, текстур, отдачи, импульса и физического присутствия объектов в играх.

Воздушные вихревые кольца

Воздушные вихревые кольца — это воздушные образования в форме бублика, состоящие из концентрированных потоков воздуха. Сфокусированные воздушные вихри могут обладать достаточной силой, чтобы сдуть свечу или сдвинуть бумаги с расстояния нескольких метров. Microsoft Research (AirWave) и Disney Research (AIREAL) использовали воздушные вихри для создания бесконтактной тактильной обратной связи.

Ультразвук

Фокусированные ультразвуковые лучи могут быть использованы для создания локализованного ощущения давления на палец, не касаясь какого-либо физического объекта. Фокусная точка, создающая это ощущение давления, генерируется путем индивидуального управления фазой и интенсивностью каждого преобразователя в массиве ультразвуковых преобразователей. Эти лучи также могут использоваться для передачи ощущений вибрации и предоставления пользователям возможности ощущать виртуальные 3D-объекты. Первым коммерчески доступным ультразвуковым устройством был Stratos Explore от Ultrahaptics, состоящий из платы с 256-элементным массивом преобразователей и контроллера Leap Motion для отслеживания движений рук.

Другой вид тактильной обратной связи возникает при активном касании, когда человек проводит пальцем по поверхности, чтобы получить информацию о её текстуре. Благодаря этому действию можно получить значительный объем информации о текстуре поверхности в микрометрическом масштабе, поскольку вибрации, вызванные трением и текстурой, активируют механорецепторы в коже человека. С этой целью пластины могут быть заставлены вибрировать на ультразвуковой частоте, что снижает трение между пластиной и кожей.

Электрическая стимуляция

Электрическая стимуляция мышц (ЭМС) и чрескожная электрическая стимуляция нервов (ЧЭНС) могут использоваться для создания тактильных ощущений на коже или в мышцах. Наиболее известные примеры включают тактильные костюмы Tesla suit, тактильный жилет Owo и носимые на руку браслеты Valkyrie EIR. Помимо повышения эффекта погружения, например, за счет имитации попаданий пуль, эти технологии направлены на создание ощущений, схожих с весом и сопротивлением, и могут способствовать мышечной тренировке.

Автомобильная промышленность

С внедрением больших сенсорных панелей управления в приборных панелях автомобилей, технология тактильной обратной связи используется для подтверждения команд, вводимых касанием, чтобы водителю не приходилось отрывать взгляд от дороги. Дополнительные поверхности контакта, такие как рулевое колесо или сиденье, также могут предоставлять водителю тактильную информацию, например, предупреждающий шаблон вибрации при приближении к другим транспортным средствам.

Искусство

Тактильные технологии находят применение в виртуальных искусствах, таких как звуковой синтез или графический дизайн, создавая ощущение присутствия и анимации. Тактильные технологии были использованы для расширения возможностей существующих произведений искусства на выставке Tate Sensorium в 2015 году. В области создания музыки шведский производитель синтезаторов Teenage Engineering представил тактильный модуль сабвуфера для своего синтезатора OP Z, позволяющий музыкантам ощущать басовые частоты непосредственно на инструменте.

Авиация

Силовая обратная связь может быть использована для повышения приверженности безопасному диапазону полёта и, таким образом, снижения риска того, что пилоты войдут в опасные режимы полёта за пределами установленных границ, сохраняя при этом окончательный контроль за пилотами и повышая их ситуационную осведомлённость.

Медицинская и стоматологическая

Разрабатываются тактильные интерфейсы для медицинской симуляции с целью обучения минимально инвазивным процедурам, таким как лапароскопия и интервенционная радиология, а также для обучения студентов-стоматологов. Виртуальная тактильная спина (ВТБ) была успешно интегрирована в учебную программу Медицинского колледжа остеопатии Университета штата Огайо. Тактильные технологии позволили разработать хирургию с использованием телеприсутствия, позволяющую опытным хирургам проводить операции на пациентах дистанционно. Когда хирург делает надрез, он ощущает тактильную и сопротивляющую обратную связь, как если бы он работал непосредственно с пациентом. Тактильные технологии также могут обеспечивать сенсорную обратную связь для смягчения возрастных нарушений контроля равновесия и предотвращения падений у пожилых людей и людей с нарушением равновесия. Тактильные модели коровы и лошади используются в ветеринарном обучении.

Нейрореабилитация

Для людей с двигательными нарушениями верхних конечностей роботизированные устройства с тактильной обратной связью могут применяться в нейрореабилитации. Роботизированные устройства, такие как концевые эффекторы, а также заземленные и незаземленные экзоскелеты, разработаны для помощи в восстановлении контроля над несколькими группами мышц. Тактильная обратная связь, обеспечиваемая этими роботизированными устройствами, способствует восстановлению сенсорной функции благодаря своей более высокой степени вовлеченности.

Загадки

Тактильные головоломки были разработаны для изучения целенаправленного тактильного исследования, поиска, обучения и памяти в сложных трехмерных средах. Цель состоит в том, чтобы обеспечить многопалые роботы осязанием, а также получить более глубокое понимание метаобучения у человека.

Персональные компьютеры

В 2015 году в MacBook и MacBook Pro компании Apple Inc. был внедрён дизайн "Tactile Touchpad" с функциональностью кнопок и тактильной обратной связью, интегрированной непосредственно в поверхность сенсорной панели.

Робототехника

Тактильная обратная связь необходима для выполнения сложных задач посредством телеприсутствия. В роботизированной руке Shadow Hand, представляющей собой передовую разработку, встроено в общей сложности 129 тактильных сенсоров в каждом суставе и на каждой подушечке пальцев, которые передают информацию оператору. Это позволяет выполнять такие задачи, как ввод текста, дистанционно. Ранний прототип можно увидеть в коллекции гуманоидных роботов, или робонавтов, NASA.

Сенсорная замена

В декабре 2015 года Дэвид Иглмен продемонстрировал носимой жилет, который "переводит" речь и другие звуковые сигналы в последовательность вибраций, позволяя людям с нарушениями слуха "ощущать" звуки на теле. С тех пор он стал коммерчески доступен в виде браслета.

Пространство

Согласно сообщениям новостей, тактильные технологии могут оказаться полезными в освоении космоса, включая экспедиции на планету Марс.

Тактильные электронные дисплеи

Тактильный электронный дисплей – это устройство отображения информации, передающее текст и графические данные через тактильные ощущения. Такие устройства разрабатываются для помощи слепым или глухим пользователям, предлагая альтернативу зрительному или слуховому восприятию.

Телеоператоры и симуляторы

Телеоператоры – это дистанционно управляемые роботизированные инструменты. Когда оператору предоставляется обратная связь о действующих силах, это называется тактильной телеоперацией. Первые телеоператоры с электрическим приводом были созданы в 1950-х годах в Национальной лаборатории Аргонн Раймондом Гёрцем для дистанционной работы с радиоактивными веществами. С тех пор использование обратной связи по силе стало более распространенным в других типах телеоператоров, таких как дистанционно управляемые подводные аппараты для исследований. Устройства, такие как медицинские и авиационные тренажеры, в идеале обеспечивают обратную связь по силе, которую можно было бы ощутить в реальной жизни. Симулированные силы генерируются с помощью тактильных органов управления, позволяя сохранять или воспроизводить данные, представляющие тактильные ощущения.

Теледильдоника

Тактильная обратная связь используется в теледильдонике, или "секс-технологиях", для удаленного подключения секс-игрушек и предоставления пользователям возможности заниматься виртуальным сексом или для управления секс-игрушкой удаленным сервером. Термин был впервые предложен Тедом Нельсоном в 1975 году в контексте обсуждения будущего любви, близости и технологий. В последние годы теледильдоника и секс-технологии развились и теперь включают в себя игрушки с двусторонней связью, обеспечивающие виртуальный секс посредством передачи вибраций, давления и ощущений. Многие "умные" вибраторы позволяют осуществлять одностороннее соединение между пользователем или удаленным партнером для управления игрушкой.

Виртуальная реальность

Тактильные технологии приобретают все большее распространение как ключевой элемент систем виртуальной реальности, добавляя ощущение осязания к интерфейсам, которые ранее были только визуальными. Разрабатываются системы, использующие тактильные интерфейсы для 3D-моделирования и дизайна, в том числе системы, позволяющие видеть и ощущать голограммы. Ряд компаний создают тактильные жилеты и костюмы для всего тела или торса для использования в иммерсивной виртуальной реальности, позволяющие пользователям ощущать взрывы и попадания пуль.