HydroHaptics: משטחים רכים עם משוב כוח אמיתי

מגע הוא אחד החושים החשובים ביותר שלנו, והוא מתחיל להתפתח עוד לפני שאנחנו נולדים. זהו למעשה החוש המוקדם ביותר שפותח באמבריולוגיה האנושית.

כחלק בלתי נפרד מחיינו, מגע מתרחש כאשר נוירונים מיוחדים חשים מידע מישושי מהעור ומעבירים אותו למוח, שם הוא נתפס כטמפרטורה, לחץ, כאב ורעידות.

נוירוני התחושה שלנו מגוונים מאוד, כאשר קצוותיהם מוחזקים במבנים חושיים מגוונים. נוירונים אלה פועלים בהרמוניה כדי לזהות איכויות שונות של מגע.

ככל שהבנתנו את שפת המגע המורכבת גדלה, כך גם גדלה יכולתנו לשחזר אותה באמצעות טכנולוגיה. כאן נכנסת לתמונה ההפטיקה, תחום מתפתח המתרגם את העושר החושי של מגע אנושי לחוויות דיגיטליות ומכניות.

המונח "האפטיקה", המקור שלו הוא מהמילה היוונית "הפטין", שמשמעותה מגע או לגעת, ומתייחס לחישה ולמניפולציה באמצעות מגע. הוא כולל גם שימוש בטכנולוגיה ליצירת תחושות מגע כמו ויברציות או משוב כוח. דוגמאות לכך כוללות בקרי משחקים, ויברציות של סמארטפונים, ניתוח רובוטי, ומציאות מדומה.

האפטיקה מאפשרת למשתמש לגעת ולחוש עצמים רחוקים בעקיפין. מכשירים מיוחדים כמו ג'ויסטיקים וכפפות נתונים מספקים משוב מיישומי מחשב בצורה של תחושה טקטילית. על ידי מתן משוב מאולץ לאלו המקיימים אינטראקציה עם סביבות וירטואליות, ההאפטיקה יוצרת זרימה דו-כיוונית של מידע.

האבולוציה של טכנולוגיות האפטיקה 

החלק כדי לגלול →

מאז השקתה לפני כחצי מאה, התפתחה ההאפטיקה לתחום מתוחכם שבו ניתן להנדס תחושות כמו מרקם, טמפרטורה, לחץ ואפילו רכות לתוך חפצים יומיומיים. דור חדש זה של האפטיקה מבטיח לקרב חוויות דיגיטליות לאינטראקציה פיזית אמיתית.

המגוון המגוון של טכנולוגיות החפטיות המעצבות את הממשקים של ימינו מראה עד כמה הטכנולוגיה התקדמה במהירות.

סמארטפונים ומכשירים לבישים משתמשים במשוב ויברוטקטילי כדי לייצר ויברציות, בעוד שהאפטיקה אלקטרוסטטית במסכי מגע ובמשטחי עקיבה יוצרת אשליה של מרקם או חיכוך על מסך חלק בדרך כלל. האפטיקה תרמית מדמה שינויי טמפרטורה כדי להביא מציאותיות רבה יותר לאינטראקציות וירטואליות.

משוב כוח מוסיף תחושת לחץ או תנועה כדי לגרום לאינטראקציות להרגיש אמיתיות יותר. מפעילים ומנועים חשופיים הם מה שגורם לך להרגיש התנגדות בבקר משחקים או במכשיר VR.

מעבר לאלה, חומרים חכמים מתפתחים כמו פולימרים אלקטרואקטיביים ומגנטוראולוגיים, אשר משנים צורה או קשיחות כאשר הם נחשפים לשדות חשמליים או מגנטיים, מאפשרים משוב הפטי גמיש.

בנוסף, קיימות מערכות האפטיקה פיזואלקטריות המאפשרות משוב מדויק ומקומי באמצעות מתח. כוחות רוחביים קטנים מפעילים כוחות רוחביים קטנים על העור, בעוד שמערכות האפטיקה מיקרופלואידיות משתמשות בערוצי נוזל זעירים כדי לדמות תחושות מגע.

טכנולוגיה נוספת בתחום הצומח הזה היא האפטיקה פנאומטית והידראולית, המשמשת לדמות חוזק אחיזה, משקל או פגיעה על ידי מינוף לחץ אוויר או נוזל.

בין אלה, טכנולוגיית האפטיקה הידראולית צוברת תאוצה רבה בקרב חוקרים כטכנולוגיית האפטיקה באיכות גבוהה. טכנולוגיה מתפתחת זו, אחרי הכל, מספקת תחושות עוצמתיות ומציאותיות שעולות על היכולות של טכנולוגיות ישנות יותר המבוססות על רטט.

השימוש בנוזלים כאן מאפשר יצירת משוב כוח חזק, מדויק ודינמי ביותר. בנוסף, מערכות הידראוליות להפטיקה יכולות לספק תחושות תרמיות מהירות וריאליסטיות על ידי זרימת מים מהירה בטמפרטורות שונות. בנוסף לכך, ניתן לשלב מערכות הידראוליות ופנאומטיות במכשירים רכים וגמישים, מה שמאפשר הפטיקה לבישה טבעית יותר שמפחיתה את עייפות המשתמש ושומרת על זריזות.

מכיוון שהתקנים חשיביים נוכחיים לרוב מגושמים ונוקשים, מה שהופך אותם ללא מתאימים לאינטראקציה בכל מקום, חוקרים התייחסו לחיסרון זה על ידי פיתוח משאבות ומפעילים הידראוליים מיניאטוריים, ובכך אפשרו יצירת מכשירים לבישים קטנים, שהם הרבה יותר פרקטיים לשימוש יומיומי.

לדוגמה, לפני מספר שנים, חוקרים מ-Autodesk Research, אוניברסיטת מניטובה ואוניברסיטת טורונטו שיתפו פעולה כדי צור הידרורינג¹, מכשיר הנישא על האצבע כדי לספק תחושות מגע של טמפרטורה, רטט ולחץ כדי לאפשר אינטראקציות הפטיות של מציאות משולבת. 

במצב פעיל, מכשיר זה מספק תחושות בעזרת נוזל העובר דרך צינור דק וגמיש המולבש על משטח האצבע. במצב פסיבי, יש לו השפעה מינימלית על זריזות המשתמש ותפיסת הגירויים שלו.

לאחרונה, חוקרים מג'ורג'יה טק הציגו את הטבעת ההאפטית הרכה שלהם², המשלבת פעולה פנאומטית והידראולית כדי לחקות רכות, חספוס ותרמית על הפלנקס הפרוקסימלי. טבעת זו, העשויה מסיליקון EcoFlex 00-30 כדי להתאים לתכונות המכניות של עור אנושי, מאפשרת ללובשים להשתמש בקצות אצבעותיהם כדי לחקור את סביבתם. 

העיצוב שלו מאפשר אספקת רטט באמצעות ניפוח פנאומטי, תחושות תרמיות באמצעות מים במחזור במעגל הידראולי, ולחץ בו זמנית. 

לאחר הערכת יעילות טכניקות הטבעת והרינדור, החוקרים ערכו מחקר משתמשים שכלל 15 משתתפים. הם מצאו שיעור דיוק של עד 90% ביכולתם של המשתתפים להתאים מרקמים וירטואליים למציאותיים. דירוגי תואר רב-ממדיים מצביעים גם על כך שהמכשיר העביר ביעילות תחושות מגע שונות בין אופני הפעולה.

לפני מספר שנים, חוקרים מאוניברסיטת קרנגי מלון קידמו את הטכנולוגיה עוד יותר על ידי פיתוח האפטיקה מבוססת הידראוליות³ דק מספיק, רק 5 מ"מ, כדי להתחבר למסך OLED כדי לאפשר לחוש פיזית בהתראות מסך מגע. 

טכנולוגיית התצוגה החדשה יכולה לאפשר למשתמשים דרך סוחפת ואינטראקטיבית יותר להתחבר להתראות, ללחוץ על כפתורים ולהקליד במקלדת. טכנולוגיית האב-טיפוס, על פי החוקרים, יכולה גם לאפשר ממשקים דינמיים במכשירים אחרים כמו נגני מוזיקה, משחקים, כלי רכב חשמליים ועוד.

כעת, חוקרים מאוניברסיטת באת' הצליחו פיתחה טכנולוגיה חדשה רספונסיבית⁴ שנקרא HydroHaptics שמגיב אפילו לנגיעות וללחיצות.

מדוע הידראוליים האפטיים עולים על פני פנאומטיקה (הסבר על הידרוהאפטיים)

ממשקים רכים וגמישים מציעים פוטנציאל ייחודי לאינטראקציה אך סובלים ממשוב כוח מוגבל. כאן, גישות פנאומטיות אינן מתאימות משום שהן חסרות תגובה ודיוק, בעוד שלפתרונות מיקרו-הידראוליים יש קלט מוגבל. 

לכן, מערכות הידראוליות הן האפשרות המושלמת. מערכות הידראוליות משתמשות בנוזל כנוזל עבודה, בניגוד לגישות פנאומטיות המשתמשות באוויר, שדחיסותו מגבילה את המהירות והדיוק של הכוח ותזוזה של הפלט. הנוזל מאפשר דיוק רב יותר וכן תפוקה תגובתית יותר. 

המודלים ההידראוליים האינטראקטיביים הנוכחיים משתמשים בעיקר במיקרו-הידראוליקה, שיכולה לספק שליטה מוגברת אך בעלת מגבלות נפח, מה שמגביל את הממשק לכפתורים קטנים, ומשפיע בתורו על גמישות הקלט וגיוון הצורות. 

בעת תכנון מערכות הידראוליות אינטראקטיביות, יש להתמודד גם עם דליפות, יכולת הנעה לאחור מוגבלת והצורך ברכיבים ייעודיים, אשר מקשים על השגתן.

לכן, החוקרים יצרו את HydroHaptics, מערכת חדשה המאפשרת משוב כוח באיכות גבוהה על ממשקים ניתנים לעיוות באמצעות העברה הידרוסטטית. פלטפורמה זו מסוגלת לשפר את איכות משוב הכוח על ממשקים רכים, תוך שמירה על התכונות המאפשרות חוויות משתמש עשירות, כלומר גמישות, רכות וחופש קלט.

טכנולוגיה זו מגיעה עם מספר יתרונות. ראשית, היא מופעלת על ידי מנוע DC ללא מברשות ואינה זקוקה למשאבות, שסתומים ווסתים. על ידי ניצול הזמינות, המחיר הנמוך ואפשרויות הבקרה של המנוע הקומפקטי, החוקרים יכולים ליצור אפקטים של משוב כוח על HydroHaptics. 

תכנון המערכת עם פחות רכיבים לצורך הרחבה מפחית את רגישותה לדליפות, תוך שהוא מאפשר לה להתאימות לממשקים גדולים יותר. רוב הרכיבים המשמשים במערכת הם גם חלקים מוכנים מראש או מודפסים בתלת-ממד.

בנוסף לכך, HydroHaptics הוא דו-כיווני מטבעו כדי לאפשר הן חישה של אינטראקציות קלט כוח והן מתן משוב כוח. משמעות הדבר היא שהטכנולוגיה החדשנית מאפשרת תקשורת דו-כיוונית בין אדם לבין החפץ שהוא מחזיק או עונד. 

יחד, כל היתרונות הללו מספקים הזדמנויות ייחודיות לחקור אינטראקציות הפטיות על ממשקים רכים ולפתח התקנים חדשים הניתנים לעיוות.

כעת, HydroHaptics היא מערכת בקוד פתוח עם תא הידראולי אטום, המכיל כמות קבועה של נוזל, שאינו דחיס ומחבר הידראולית את שני המשטחים הגמישים של התא. זה מאפשר העברת כוח דו-כיווני ביניהם.

מפעיל מכני ליניארי פועל כמנוע הפטיטי, שיכול לספק משוב כוח על ידי הזזת הנוזל, תוך העברת כוח לממשק הניתן לעיוות. כדי לאפשר לממשק להתעוות, אותו מנוע נע בתגובה לכוח המופעל על הממשק הניתן לעיוות תוך שמירה על הלחץ בתוך התא ההידראולי, הניתן לכוונון כדי ליצור רמות נוקשות שונות.

באמצעות גישה זו, משתמשים יכולים לחוש רעידות, קליקים חדים והתנגדות משתנה בעוד שהמשטח שומר על רכותו וגמישותו הטבעית, לא משנה איך לוחצים, צובטים או מסובבים אותו, "משהו שעד כה פשוט לא היה אפשרי", אמר ג'יימס נאש, סטודנט לתואר דוקטור למדעי המחשב בבאת', אחד ממובילי המחקר.

אז, אדם יכול לצבוט, להקיש או לסובב חפץ כמו עכבר מחשב גמיש, פריט לבוש או כרית, והחפץ הזה יגיב בצורה אקספרסיבית ומשמעותית, למשל, על ידי עמעום האור, פיסול על המסך או החלפת ערוץ הטלוויזיה.

ניתן לחוש קלט משתמש גם על ידי ניטור הלחץ הפנימי.

"המערכת חשה את הקלט מהמשתמש דרך האובייקט, והמשתמש חש את התגובה ההפטית של המערכת דרך המשטח הניתן לעיוות."

– פרופסור ג'ייסון אלכסנדר, ראש המחקר, מהמחלקה למדעי המחשב בבאת'.

בדרך זו, HydroHaptics מאפשר חוויות האפטיות ייחודיות על ממשקים רכים ועיוותים, שאינם מעשיים כיום באמצעות הגישות הקיימות.

בעזרת HydroHaptics, החוקרים פותחים דלתות להזדמנויות מרגשות לאינטראקציות מבוססות מגע עם חפצים יומיומיים. הטכנולוגיה יכולה להועיל רבות לתחומי המשחקים, טכנולוגיה לבישה, סימולציה רפואית, עיצוב מוצרים ותחומים אחרים.

הגל הבא של אינטראקציה בין אדם למחשב

צוות מדעני המחשב מבאת' הציג את מחקרם על HydroHaptics בסימפוזיון ACM בנושא תוכנה וטכנולוגיית ממשק משתמש (UIST '25) לפני מספר שבועות, שם המאמר זכה בפרס אזכור של כבוד.

בצורתה הקיימת, המערכת היא בצורת גליל, שבראשה כיפה ניתנת לעיוות עשויה סיליקון, היוצרת את המשטח העליון החשוף של התא, שתחתיתו אטומה גם היא בממברנת סיליקון גמישה. ממש מתחת לתא נמצא חיישן לחץ וגשר הברגה, המופעל על ידי מנוע DC.

כאשר המשתמש מקיים אינטראקציה עם הכיפה, כמו לחיצה או סחיטה עליה, המים דוחפים את כיוון המים, וגורמים להם ללחוץ על הממברנה התחתונה ולהתמתח. החיישן מזהה את העלייה בלחץ שנוצרת ומתאים אותה לתנועה ולפקודה המתאימות.

כדי לספק משוב מישושי, המכשיר משתמש במנוע כדי לדחוס את התא מלמטה, מה שדוחף את הכיפה כלפי מעלה כנגד אצבע המשתמש, ובכך יוצר תחושה של רטט מתנדנד, קליק ברור או כפתור מתוח.

כדי להדגים את יכולתו של HydroHaptics לשפר את האינטראקציה באמצעות משוב כוח דק, הצוות שילב אותו בארבעה יישומים יומיומיים. 

עכבר מחשב בעל עיוות ומוגבר בכוח, בעל כיפת סיליקון רכה, המאפשרת למשתמשים לפסל אובייקטים דיגיטליים על גבי מסך על ידי לחיצה ועיוות של משטח העכבר. 

כרית אינטראקטיבית קטנה המספקת משוב הפטית תוך שמירה על רכותה. כיס HydroHaptic הוכנס לתוך הכרית כדי לשלוט במכשירים חכמים בעת לחיצה או סחיטה.

תרמיל גב המספק משוב כוח על הגוף דרך הרצועות. הוא מסר התראות מהסמארטפון באמצעות נקישות ולחיצות על הכתף, שניתן להשתמש בהן גם לניווט.

ג'ויסטיק מודפס תלת-ממדי משופר עם טכנולוגיית HydroHaptic כדי להגביר את הסיבולת במשחקי וידאו. המשוב ההאפטי ניתן לשחקנים במהלך המשחק כדי לדמות מתח, התנגדות או פגיעה חדה.

יישומים אלה מדגימים לראשונה את השילוב של משוב הפטי איכותי בממשקים ואובייקטים רכים וגמישים. והצוות רואה פוטנציאל רב לטכנולוגיה שלהם במגוון רחב של מכשירים אינטראקטיביים.

"הניסויים שלנו מראים שזוהי מערכת אמינה המאפשרת לבני אדם לתקשר עם עצמים רכים בצורה משמעותית שתשפר את האופן שבו אנו חיים ועובדים."

– פרופסור ג'ייסון אלכסנדר

כדי להמחיש את הפוטנציאל של HydroHaptics, הוא נתן דוגמה של משתמש שחש השפעות פיזיות בכרית שעליה הוא נשען, דבר המשקף את מה שקורה בטלוויזיה שלפניו. לדוגמה, הרטט בכרית כאשר מכונית נוסעת על כביש משובש על הטלוויזיה, או הכרית מתמצקת כאשר מישהו פוגע בקיר קשה. דוגמה נוספת היא זו של נוסע תרמיל הגב, שאינו זקוק לטלפון שלו לניווט מכיוון שהרצועות ינחו אותו באמצעות לחיצות עדינות על הכתף.

"אלו הן רק שתיים מתוך דרכים רבות בהן טכנולוגיה זו תוכל להשתלב בחיינו בעתיד הלא רחוק."

אלכסנדר 

כדי להעריך את ביצועי הטכנולוגיה שלהם, הצוות ביצע סדרה של הערכות טכניות באמצעות זרוע רובוטית מדויקת במיוחד וערך מחקר משתמשים. במהלך המחקר, הצוות הדגים את יכולתה של HydroHaptics ליצור אפקטים הפטיים ברורים עם דיוק זיהוי ממוצע של 82.6% בכל האפקטים ו-92.8% באפקט הייחודי ביותר. 

בעוד שצוותי מחקר אחרים עובדים גם על ממשקים רכים וניתנים לעיוות, לאחר שייצרו אבות טיפוס המציגים תחושות מקומיות מאוד או רמות שונות של משוב באיכות נמוכה, הם לא השיגו את רמת קנה המידה, הדיוק והרזולוציה של HydroHaptics.

הצוות מאמין שמוצרי HydroHaptics יוכלו להיות מוכנים לשוק בקרוב, אם העניין בטכנולוגיה שלהם הוא אינדיקציה כלשהי. "בהינתן משאבים מספיקים, לא יהיה זה בלתי מציאותי שזה יהיה במוצר בעוד שנה או שנתיים", אמר פרופסור אלכסנדר.

אבל כמובן, הצוות צריך תחילה לשכלל את מנוע ההאפטיקה כדי שניתן יהיה להפחית את גודלו ולהתאים אותו ליישומים מסחריים.

גם למערכת יש מגבלות טכניות. כפי שצוין במאמר, אוויר יכול להילכד בתוך התא ההידראולי או לדלוף לתוך המערכת לאורך זמן, מה שעלול לפגוע בביצועיה. בנוסף, לחץ יציאה גבוה יוצר צורך בהספק משמעותי, מה שעלול להוביל לבעיות תרמיות.

בכל הנוגע למנוע ההאפטי, גישת הצוות תלויה בכך שהוא יהיה קשיח, ולמרות שניתן להפריד אותו באמצעות צינור גמיש, הוא חייב להישאר מחובר לממשק, דבר שלא תמיד אפשרי עבור ממשקים הניתנים לעיוות מלא. המחקר ציין:

"הידרו-הפטיקס מייצגת צעד משמעותי לקראת המטרה ארוכת הטווח של השגת מערכות משוב כוח האפטיות הניתנות לעיוות מלא, ועבודה עתידית צריכה לשאוף להפחית את מספרם וגודלם של רכיבים קשיחים." 

השקעה בטכנולוגיית Haptics

טקסס אינסטרומנטס (TXN ) is ענקית מוליכים למחצה שמפתחת שבבי עיבוד אנלוגיים ומשובצים עבור שווקים שונים, כולל אלקטרוניקה אישית, רכב, ציוד תקשורת, מערכות תעשייתיות וארגוניות.

TI היא גם שחקנית מרכזית בתעשיית ההפטיקה, המספקת פתרונות משולבים הכוללים מנהלי התקנים הפטיים, בקרי מסכי מגע וספריות תוכנה ליצירת משוב מישושי במוצרי אלקטרוניקה צרכניים ומוצרים תעשייתיים.

טקסס אינסטרומנטס (TXN )

עם שווי שוק של 160.5 מיליארד דולר, מניית TXN נסחרת כעת במחיר של 176.93 דולר, ירידה של 5.83% מתחילת השנה אך עלייה של 26.4% מאז השפל של אפריל. מניית TXN הגיעה למעשה לשיא של כל הזמנים (ATH) במחיר של 221.69 דולר ביולי.

לטקסס אינסטרומנטס יש רווח למניה (ETM) של 5.28 ומכפיל/רווח (ETM) של 33.46. תשואת דיבידנד של 3.22% מוצעת לבעלי המניות. ב-16 באוקטובר, TI הכריזה על דיבידנד רבעוני במזומן של 1.42 דולר למניה רגילה. הדיבידנד הועלה ב-4% בחודש שעבר, וסימן 22 שנים רצופות של עליות.

תוצאות אחרונות (רבעון שני 2025): טקסס אינסטרומנטס דיווח הכנסות של 4.45 מיליארד דולר (16%+ בהשוואה לשנה הקודמת, 9%+ בהשוואה לרבעון המקביל), רווח נקי של כ-1.30 מיליארד דולר ורווח למניה של 1.41 דולר. ההנהלה צפתה את ההכנסות ברבעון השלישי ל-4.45–4.80 מיליארד דולר. תזרים המזומנים החופשי (TTM) עמד על כ-1.8 מיליארד דולר בדוח הרבעון השני של 2025.

סיכום

ככל שעולם ההאפטיקה מתרחב וגדל, HydroHaptics מייצג שינוי פרדיגמה ב... איך ניגע וייגענו על ידי טכנולוגיה. על ידי שילוב של ממשקים רכים וניתנים לעיוות עם משוב כוח מדויק, הטכנולוגיה פותחת את הדלת לאינטראקציות עשירות וטבעיות יותר עם המכשירים והסביבות שלנו. 

מבידור סוחף ועד להכשרה רפואית ובתים חכמים, טכנולוגיה זו עשויה להגדיר מחדש את האופן שבו בני אדם ומכונות מתקשרים.

הפניות:

1. האן, ט., אנדרסון, פ., איראני, פ., וגרוסמן, ט. (2018). HydroRing: תמיכה בהאפטיקה של מציאות משולבת באמצעות זרימת נוזלים. In דיוני הסימפוזיון השנתי ה-31 של ACM בנושא תוכנה וטכנולוגיית ממשק משתמש (UIST '18) (עמ' 913–925). איגוד מכונות המחשוב. https://doi.org/10.1145/3242587.3242667
2. Sanz Cozcoluela, A., & Vardar, Y. (2025). יצירת מרקמים רב-מודאליים בעזרת טבעת האפטית הידרו-פנאומטית רכה. אלסוויר BV. https://doi.org/10.2139/ssrn.5170637
3. שולץ, ק., והריסון, ק. (2023). מגע עם צגים שטוחים: משאבות אלקטרו-אוסמוטיות משובצות לתצוגות צורה הניתנות להרחבה. In ההליכים של כנס CHI 2023 בנושא גורמים אנושיים במערכות מחשוב (סעיף 745). איגוד מכונות המחשוב. https://doi.org/10.1145/3544548.3581547
4. נאש, JD, Sauvé, K., van Riet, CM, van Oosterhout, A., Sharma, A., Clarke, C., & Alexander, J. (2025). הידרו-הפטיקס: משוב כוח באיכות גבוהה על ממשקים רכים ועיוותים באמצעות תמסורת הידרוסטטית. בתוך א. ביאנקי, א. גלסמן, וו. א. מקיי, ס. ז'או, ג'. קים, וא. אוקלי (עורכים), דיוני הסימפוזיון השנתי ה-38 של ACM בנושא תוכנה וטכנולוגיית ממשק משתמש (UIST '25) (סעיף מס' 59). איגוד מכונות המחשוב. https://doi.org/10.1145/3746059.3747679