Haptyka o ludzkiej rozdzielczości: przyszłość dotyku VR

Zespół inżynierów z Uniwersytetu Northwestern zaprezentował właśnie pierwsze na świecie urządzenie dotykowe, które naśladuje ludzki dotyk. Urządzenie o nazwie VoxeLite potrafi oddać najdrobniejsze detale powierzchni na wyciągnięcie ręki, otwierając drzwi do immersji VR nowej generacji, sterowania robotami i wielu innych możliwości. Oto, co musisz wiedzieć.

Dlaczego w interfejsach cyfrowych występują opóźnienia dotykowe

W ciągu ostatniego półwiecza naukowcy stopniowo zwiększali zdolność maszyn do dopasowywania się do ludzkich zmysłów. Na przykład, niska liczba klatek na sekundę negatywnie wpływała na jakość wczesnych filmów wideo, podobnie jak systemy audio musiały ulepszać swój sprzęt, aby w ogóle móc dopasować się do ludzkiego ucha.

Wraz z nadejściem ery cyfrowej możliwe stało się osiągnięcie, a nawet przekroczenie, rozdzielczości czasowej zmysłów. Czasy pikselowanych ekranów cyfrowych dawno minęły. Dzisiejsze opcje wysokiej rozdzielczości oferują realistyczną jakość obrazu i równie realistyczny dźwięk.

Podczas gdy nasze oczy i uszy przyciągały mnóstwo uwagi, inne zmysły późno dołączyły do ​​digitalizacji. Jednak ostatnie postępy otworzyły drzwi wirtualnym doświadczeniom, w których możesz… klucze oraz zapach Podobnie jest z dotykiem, który pozostaje w tyle pod względem integracji cyfrowej.

Ewolucja systemów haptycznych

Choć rozdzielczość ekranów osiągała nadludzką przejrzystość, integracja haptyczna pozostawała w stagnacji. Co ciekawe, koncepcja wykorzystania dotyku jako sposobu komunikacji między maszynami a ludźmi po raz pierwszy pojawiła się w przestworzach II wojny światowej. To właśnie wtedy inżynierowie sił powietrznych dodali haptyczne sprzężenie zwrotne do drążków sterowych pilotów w ramach systemów ostrzegania o przeciągnięciu.

W latach 1960. i 1970. XX wieku technologia stopniowo się rozwijała, ponieważ ludzie zaczęli badać, jak wykorzystać te systemy do przekazywania bardziej złożonych wiadomości. Era ta doprowadziła do powstania systemów telefonicznych haptycznych przeznaczonych dla osób niedowidzących.

W latach 1980. twórcy gier wideo zaczęli eksperymentować z dotykowym sprzężeniem zwrotnym. Gracze zręcznościowi nagle mieli kierownice, które szarpały podczas jazdy po wyboistych drogach, i broń, która wibrowała podczas strzału. Te integracje ostatecznie doprowadziły do ​​powstania różnorodnych urządzeń haptycznych, zaprojektowanych, aby zapewnić graczom większą immersję.

Dlaczego obecne sprzężenie zwrotne dotykowe jest niewystarczające

Co ciekawe, wszystkie te systemy wykorzystywały prostą wibrację jako środek przekazywania informacji. Dotyk to jednak złożony zmysł, który może dostarczyć wielu informacji, jeśli jest przekazywany w sposób wykorzystujący ludzką wrażliwość. Niestety, większość obecnie używanych systemów sprzężenia zwrotnego dotykowego nadal wykorzystuje wibrujący silnik do powiadamiania ludzi.

Wyobraź sobie, że Twój telefon komórkowy potrafi coś więcej niż tylko wibrować, informując Cię o wiadomości. Co, gdyby mógł przekazać Ci zawarte w niej informacje bezpośrednio za pomocą dotyku? Ta koncepcja i wiele innych mogą w końcu stać się rzeczywistością dzięki nieszablonowym pomysłom.

Problemy ograniczające postęp dotykowy

Istnieje wiele powodów, dla których nie czujesz gorąca po eksplozji w grze Battlefield VR ani nie możesz dotknąć pancerza dłońmi i poczuć uszkodzeń. Po pierwsze, osiągnięcie ludzkiej rozdzielczości, czyli zdolności do dorównania możliwościom przestrzennym i czasowym ludzkich palców, jest bardzo kosztowne. Po pierwsze, te doznania są natychmiastowe i pozwalają precyzyjnie wykryć drobne szczegóły już po prostym muśnięciu.

Jak dotąd urządzenia te są duże i skomplikowane, co sprawia, że ​​ich użytkowanie nie jest jeszcze realistyczne. Jednak nowe osiągnięcia mogą otworzyć drogę do bardziej praktycznego korzystania z komputera w przyszłości.

Badanie rozdzielczości haptycznej człowieka

W kierunku rozdzielczości dotykowej dla człowieka: przenośny wyświetlacz dotykowy o dużej przepustowości i gęstości „The Puzzle of Monogamous Marriage” ¹, opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie Science Advances, przedstawia pierwsze przenośne systemy dotykowe, które są w stanie zapewnić użytkownikom rozdzielczość odpowiadającą ludzkiemu gustowi.

VoxeLite

Czujnik haptyczny VoxeLite to niezwykle wygodny gadżet do noszenia, zaprojektowany tak, aby zapewnić Ci prawdziwe wrażenia z cyfrowego dotyku. Zapewnia realizm, a jednocześnie jest niezwykle wygodny w noszeniu lub można go używać do innych zadań. Urządzenie to spoczywa na opuszkach palców użytkownika, ma grubość 0.1 mm i waży zaledwie 0.19 grama.

Źródło - nauka.org

Węzły elektroadhezyjne: jak działają

Sercem tej technologii są specjalnie zbudowane węzły, umieszczone na opuszkach palców w systemie przypominającym bandaż. Aby lepiej zrozumieć tę koncepcję, można wyobrazić sobie te węzły jak piksele na ekranie. Te indywidualnie adresowalne, miękkie, elektroadhezyjne siłowniki mogą po aktywacji generować rozproszone siły o wysokiej rozdzielczości.

Co istotne, węzły zostały zbudowane z wykorzystaniem elektrody wewnętrznej i przewodzącej warstwy zewnętrznej pokrytej miękką gumową kopułą. Taka konstrukcja zapewnia im wysoką czułość, umożliwiając im dociskanie do skóry z ultrawysoką prędkością, aby tworzyć wzory precyzyjnie dopasowane do zdigitalizowanej powierzchni. Co istotne, węzły obsługują 800 ruchów na sekundę, co umożliwia natychmiastowe sprzężenie zwrotne.

Sterowanie węzłami za pomocą napięcia i elektroadhezji

Do obsługi węzłów inżynierowie wykorzystują specjalnie opracowany protokół. Program ten stosuje precyzyjne siły elektrostatyczne, które powodują elektroadhezję. Siła ta działa podobnie do tego, jak pocieranie balonu o włosy powoduje ich uniesienie, lub jak… kleszcze potrafią skakać na duże odległości, aby przyczepić się do swojej ofiary.

Ta silnie zlokalizowana siła mechaniczna sprawia, że ​​węzeł chwyta palec pod odpowiednim kątem i naciskiem, symulując powierzchnię. Taka struktura umożliwia symulację chropowatych powierzchni i zwiększa tarcie poprzez zastosowanie wyższych napięć. Mogą również obniżyć napięcie, tworząc śliską powierzchnię.

Gęstość węzłów: dopasowanie do opuszki palca ludzkiego

U podstaw tej technologii leżała potrzeba osiągnięcia idealnej gęstości. Inżynierowie musieli poświęcić dużo czasu na ustalenie dokładnej odległości między węzłami, aby palec mógł odróżnić je od siebie w sposób umożliwiający cyfrowe odwzorowanie powierzchni.

Gdyby węzły były umieszczone zbyt blisko siebie, straciłyby zdolność do wyrażania swoich ruchów bez zlewania się z sąsiednimi węzłami, tracąc tym samym na wyrazistości. Ponadto, jeśli węzły byłyby zbyt daleko od siebie, traci się możliwość odtworzenia drobnych szczegółów.

Ostatecznie zespół zdecydował się na okno projektowe o szerokości od 1 mm do 1.6 mm. Taka struktura pozwoliła im na stworzenie haptyki o drobnych fakturach i precyzyjne przekazywanie konkretnych wrażeń dotykowych w obu trybach działania urządzenia.

Tryb aktywny

W trybie aktywnym VoxeLite stale dostosowuje kąt nachylenia i siłę nacisku węzła, aby symulować pożądane wrażenia. Wyobraź sobie, że przesuwasz palcem po ekranie smartfona i czujesz na nim obraz. Te wirtualne wrażenia dotykowe mogą odtworzyć pełny zakres częstotliwości ludzkiego dotyku, otwierając drogę do ogromnych innowacji technologicznych w przyszłości.

Tryb pasywny

Tryb pasywny jest używany, gdy masz inne zadania do wykonania. Urządzenie jest ciche, a dzięki ultracienkiemu profilowi ​​i konstrukcji możesz wykonywać swoje obowiązki jak zwykle, tak jakbyś w ogóle go nie nosił. To podejście jest podobne do okularów korekcyjnych, w przeciwieństwie do okularów VR, które stają się niewygodne już po kilku minutach.

Test haptyczny rozdzielczości człowieka

Inżynierowie postanowili przetestować swoją teorię, używając laboratoryjnie skonstruowanego urządzenia VoxeLite z węzłami rozmieszczonymi co 1.6 mm. Uczestnicy testu nosili urządzenie i wykonywali kilka zadań. Podczas testów monitorowali zdolność systemu do komunikowania się z powierzchniami fizycznymi i teksturami wirtualnymi, wykorzystując systemy czujników biometrycznych.

Wyniki testów dowiodły, że zespół odniósł sukces w swoim przedsięwzięciu. VoxeLite był w stanie precyzyjnie przekazywać tekstury z częstotliwością 800 herców. Co imponujące, generował gęstość aktuatorów na poziomie 110 węzłów na centymetr kwadratowy, co pozwalało mu skutecznie przekazywać użytkownikom teksturę skóry, sztruksu i frotte z dokładnością 81%.

Korzyści z haptyki ludzkiej rozdzielczości

Ten typ systemu dotykowego oferuje wiele korzyści na rynku. Po pierwsze, został zaprojektowany z myślą o komforcie. Decyzja inżynierów, aby skupić się na stworzeniu wygodnego urządzenia do noszenia, była mądrym wyborem. Urządzenie pozwala na noszenie go i korzystanie z niego tylko wtedy, gdy jest to potrzebne, w trybie aktywnym. Ponadto jego lekkość i wygoda sprawiają, że prawdopodobnie więcej osób będzie z niego korzystać.
Przesuń, aby przewijać →

Ultrawysoka rozdzielczość: ogromna zaleta

Kolejną istotną zaletą są możliwości rozdzielczości. Rozdzielczość, jaką może osiągnąć człowiek w wygodnym urządzeniu do noszenia, przez dekady wydawała się niemożliwa, ale to nowe podejście eliminuje silniki i inne nieporęczne elementy. Zamiast tego, elektryczność statyczna zapewnia idealny sposób manewrowania węzłami w celu symulacji dotyku.

Zastosowania haptyki o rozdzielczości ludzkiej w świecie rzeczywistym i harmonogram:

Ultracienkie, lekkie, elastyczne i noszone urządzenia, które zapewniają dogłębną informację zwrotną za pomocą dotyku, mają wiele zastosowań. Na przykład mogą pomóc w prowadzeniu osób z dysfunkcją wzroku. Pomyśl o rękawicy, która mogłaby powiadomić kogoś o zbliżaniu się do krawędzi lub potencjalnego zagrożenia. Oto kilka innych ciekawych zastosowań tej technologii.

Wirtualna rzeczywistość nowej generacji: Odczuwanie wirtualnego środowiska

Systemy wirtualnej rzeczywistości mogą stać się o wiele bardziej realistyczne, jeśli ta technologia wejdzie na rynek. Wyobraź sobie, że przesuwasz palcem po krysztale w swoim ulubionym świecie gier i nie tylko. Ta technologia może jeszcze bardziej zatrzeć granice między światem wirtualnym a rzeczywistym, prowadząc do naprawdę oszałamiających wirtualnych doświadczeń.

Ulepszone doświadczenia wirtualne

Choć łatwo dostrzec korzyści, jakie ten rozwój może przynieść branży gier, możesz nie zdawać sobie sprawy, jak duży wpływ może on mieć na inne sektory cyfrowe, takie jak e-commerce. Wyobraź sobie, że możesz poczuć fakturę swojej kolejnej koszulki, zanim dotrze do Ciebie. To i wiele więcej będzie możliwe.

Robotyka i telemanipulacja

Jedną z branż, która z pewnością odniesie największe korzyści z tego badania, jest sektor robotyki. Od dziesięcioleci inżynierowie ścigają się, aby stworzyć robotyczne dłonie, które będą w dotyku przypominać dłonie ludzkie. Chociaż podejmowano już wiele prób, ten rodzaj haptycznego sprzężenia zwrotnego mógłby pozwolić kontrolerowi poczuć to, co czuje robot.

W ten sposób umożliwiłoby to ludzki dotyk poprzez przelot i otworzyłoby drogę do precyzyjnych zadań robotycznych. Ta strategia mogłaby zainspirować więcej operacji wspomaganych robotem, ponieważ chirurg mógłby uzyskać dodatkowe informacje poprzez dotyk.

Oś czasu ludzkiej rozdzielczości haptycznej

Może minąć jeszcze 5–7 lat, zanim ta technologia trafi do powszechnego użytku. Istnieje jednak duże zapotrzebowanie na nią w wielu dziedzinach, zwłaszcza w sektorze medycznym. W związku z tym technologia ta mogłaby zostać najpierw zintegrowana z systemami chirurgii robotycznej, zanim trafi do graczy i klientów.

Badacze haptyki ludzkiej rozdzielczości

Uniwersytet Northwestern kierował badaniem nad rozdzielczością dotykową człowieka. W artykule wymieniono inżynierów Sylvię Tan, Michaela A. Peshkhina, Robertę L. Klatzky i J. Edwarda Colgate'a jako ich współautorów.

Warto zauważyć, że Colgate i Peshkin pracowali w przeszłości nad systemem, który wykorzystywał elektroadhezję do modulacji tarcia między opuszkiem palca a ekranem dotykowym. Praca ta jest postrzegana jako rozwinięcie tych badań. Udoskonala ona koncepcję, czyniąc ją bardziej poręczną i precyzyjną.

Przyszłość haptyki o ludzkiej rozdzielczości

Inżynierowie wierzą, że ich praca doprowadzi do upowszechnienia urządzeń VoxeLite. Omawiając swoją wizję, opisali świat, w którym użytkownicy noszą swoje VoxeLite przez cały dzień jak zestawy słuchawkowe BT czy okulary, używając ich w razie potrzeby do interakcji z inteligentnym ekranem i innymi urządzeniami.

Inwestowanie w innowacje w zakresie rzeczywistości wirtualnej

W sektorze VR działa wiele firm, które nieustannie rozwijają tę technologię. Firmy te chcą ulepszyć doświadczenie VR poprzez nowe strategie sensoryczne. Oto jedna firma, która nadal jest pionierem innowacji w sektorze VR, jednocześnie zachowując najlepsze praktyki biznesowe.

Unity Software Inc. (LUB)

Unity Software rozpoczęło działalność jako producent gier wideo w 2004 roku, po czym przestawiło swoją strategię biznesową na silniki gier. Założyciele firmy, David Helgason, Nicholas Francis i Joachim Ante, dostrzegli wartość w uproszczeniu tworzenia wirtualnych światów 3D.

Ta decyzja pomogła firmie stać się wiodącym dostawcą silników gier. Obecnie jej platforma obsługuje symulacje, filmy, doświadczenia VR, projekty lotnicze i kosmiczne oraz wiele innych. Osoby zainteresowane branżą VR powinny rozważyć dokładniejsze zapoznanie się z Unity Software i jego produktami.

Najnowsze wiadomości i wyniki spółki Unity Software Inc (U)

Haptyka ludzkiej rozdzielczości | Wnioski

Badanie sprzężenia zwrotnego haptycznego o rozdzielczości ludzkiej to przełom, który stanowi ogromny krok naprzód w tej technologii. Unikalna strategia inżynierów, oparta na siłach elektrostatycznych, okazała się jak dotąd najlepszym rozwiązaniem. Miejmy nadzieję, że inżynierowie będą mogli jeszcze bardziej udoskonalić swoje dzieło i udostępnić je szerszemu gronu odbiorców, otwierając drzwi do nowego poziomu wirtualnej immersji dla wszystkich.

Dowiedz się więcej o innych ciekawych osiągnięciach VR Tutaj

Referencje

^{1. Tan, S., Peskhin, MA, Klatzky, RL i Colgate, JE (2025). W kierunku haptyki o rozdzielczości ludzkiej: przenośny wyświetlacz dotykowy o dużej przepustowości i gęstości. Postępy nauki. https://doi.org/adz5937}