VoxeLite: Реалистичные ощущения на кончиках пальцев

Инженеры из Северо-Западного университета разработали первое тактильное устройство, достигающее «человеческого разрешения», что означает его способность точно соответствовать сенсорным возможностям человеческого кончика пальца.

Ультратонкое, легкое и гибкое носимое устройство под названием VoxeLite воссоздает тактильные ощущения с той же четкостью, детализацией и скоростью, которые естественно воспринимает кожа. Подобно повязке, устройство мягко обхватывает кончик пальца, придавая цифровому прикосновению тот же реализм, который люди ожидают от современных экранов и динамиков.

Благодаря сочетанию высокого пространственного разрешения и удобного форм-фактора, VoxeLite может трансформировать способы взаимодействия людей с цифровыми средами. Это открывает возможности для более захватывающих систем виртуальной реальности, вспомогательных технологий для людей с нарушениями зрения, человеко-машинных интерфейсов и улучшенных сенсорных экранов.

«Прикосновение — последний из основных чувств, не имеющий настоящего цифрового интерфейса», — говорит Сильвия Тан из Северо-Западного университета, возглавлявшая исследование. «У нас есть технологии, делающие вещи визуально и аудиально реалистичными. Теперь мы хотим сделать текстуры и тактильные ощущения реальными. Наше устройство приближает эту цель. Мы также разработали его так, чтобы оно было комфортным, позволяя людям носить его в течение длительного времени, не снимая для выполнения других задач. Это похоже на то, как люди носят очки весь день и даже не задумываются о них».

«Эта работа представляет собой крупный научный прорыв в области тактильных технологий, впервые представляя технологию, достигающую «человеческого разрешения», — говорит Дж. Эдвард Колгейт из Северо-Западного университета, пионер в области тактильных технологий и старший автор исследования. «Она способна передавать тактильную информацию коже с пространственным и временным разрешением, соответствующим сенсорной системе».

Неразрешенные проблемы в тактильных технологиях

Несмотря на десятилетия прогресса в области видео высокого разрешения и реалистичного звука, цифровое прикосновение упорно отставало. Современная тактильная обратная связь — в основном простые вибрации смартфона — не может передать богатую, детальную информацию, которую естественно воспринимают кончики пальцев. Это отчасти связано с тем, что пространственное и временное разрешение кожи чрезвычайно трудно имитировать.

«Представьте себе очень старые фильмы, где частота кадров была очень низкой, поэтому движения выглядели дергаными. Это из-за низкого временного разрешения», — говорит Колгейт. «Или подумайте о ранних компьютерных дисплеях с пикселизированными изображениями. Это низкое пространственное разрешение. В настоящее время обе эти проблемы решены для графических дисплеев. Однако для тактильных дисплеев они далеко не решены. Фактически, очень немногие исследователи даже пытались решить обе проблемы одновременно».

Индивидуальные пиксели прикосновения

С помощью VoxeLite Тан, Колгейт и Пешкин приближают эту область к решению этих проблем. Устройство оснащено массивом крошечных, индивидуально управляемых узлов, встроенных в тонкий, растяжимый лист латекса. Эти мягкие узлы функционируют как пиксели прикосновения, каждый из которых способен с высокой скоростью и в точных узорах надавливать на кожу. Каждый узел состоит из мягкого резинового купола, проводящего внешнего слоя и скрытого внутреннего электрода. При подаче небольшого напряжения генерируется электроадгезия — тот же принцип, по которому воздушный шар прилипает к стене после трения.

В ранее разработанной технологии TanvasTouch Колгейт и Пешкин 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 при этом не задействованы движущиеся части.

VoxeLite развивает эту концепцию. Новая технология точно и контролируемо применяет электростатические силы, чтобы каждый крошечный узел «захватывал» поверхность и наклонялся, чтобы надавить на кожу. Это создает высоколокализованную механическую силу, так что каждый «пиксель» прикосновения надавливает на кожу кончика пальца. Более высокие напряжения увеличивают трение во время движения, производя более выраженные тактильные сигналы для имитации ощущения шероховатой поверхности. С другой стороны, более низкие напряжения создают меньшее трение и, следовательно, ощущение более скользкой поверхности.

«При проведении по электрозаземленной поверхности устройство контролирует трение на каждом узле, что приводит к контролируемому вдавливанию в кожу», — говорит Колгейт. «Предыдущие попытки генерировать тактильные эффекты представляли собой большие, громоздкие, сложные устройства. VoxeLite весит меньше грамма».

Достижение человеческого разрешения

Для создания ощущений человеческого разрешения Тан плотно упаковала узлы. В самой плотной версии устройства узлы расположены примерно в 1 миллиметре друг от друга. В пользовательском тестировании Тан использовала версию с расстоянием между узлами 1,6 миллиметра.

«Плотность узлов действительно важна для соответствия остроте человеческого зрения», — говорит Тан. «Узлы должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы тело могло их различить. Если два узла находятся менее чем в одном миллиметре друг от друга, кончики пальцев чувствуют только один узел вместо двух. Но если узлы расположены слишком далеко друг от друга, они не могут воссоздать мелкие детали. Чтобы создать ощущения, которые кажутся реальными, мы хотели соответствовать этой человеческой остроте».

VoxeLite работает в двух режимах: активном и пассивном. В активном режиме устройство генерирует виртуальные тактильные ощущения, быстро наклоняя и вдавливая отдельные узлы, когда пользователь перемещается по гладкой поверхности, такой как экран смартфона или планшета. Узлы могут двигаться до 800 раз в секунду, покрывая почти полный частотный диапазон человеческих тактильных рецепторов.

Распознавание виртуальных текстур

В серии экспериментов участники исследования, носившие устройство, точно и надежно распознавали виртуальные текстуры, узоры и направленные сигналы. Люди в VoxeLite с точностью до 87% определяли направления — вверх, вниз, влево и вправо. Они также с 81% точностью распознавали реальные ткани, включая кожу, вельвет и махровую ткань.

В пассивном режиме устройство фактически исчезает. Поскольку оно чрезвычайно тонкое, мягкое и прилегает к коже, VoxeLite не мешает выполнению реальных задач и не блокирует естественное чувство прикосновения. Затем пользователи могут плавно переключаться между реальными и цифровыми ощущениями.

Для будущих итераций устройства команда из Северо-Западного университета предвидит технологию, которую можно будет интегрировать со смартфонами и планшетами. Подобно тому, как наушники используют Bluetooth для взаимодействия с нашими устройствами, VoxeLite в будущем сможет синхронизироваться с устройствами, превращая плоские, гладкие экраны в текстурированные интерфейсы. Это потенциально может привести к более реалистичному опыту онлайн-покупок, где покупатели смогут ощущать текстиль и ткани перед покупкой. Это также может привести к созданию тактильных карт для людей с нарушениями зрения или более интерактивных игр, где игроки смогут ощутить натяжение резинки или неровные камни на скале.

«Что делает это наиболее захватывающим, так это сочетание пространственного и временного разрешения с возможностью ношения», — говорит Тан. «Люди склонны сосредотачиваться на одном из этих трех аспектов, потому что каждый из них представляет собой очень сложную задачу. Наша лаборатория уже решила проблему временного разрешения с помощью электроадгезии. Затем моей задачей было сделать ее пространственно распределенной и носимой. Потребовалось некоторое время, чтобы достичь этого. Сейчас мы проводим исследования, чтобы понять, как люди фактически получают и воспринимают эту тактильную информацию».