Тактильна візуалізація з роздільною здатністю людини: майбутнє VR-сенсорів

Команда інженерів Північно-Західного університету щойно представила перший у світі носимий тактильний пристрій, здатний імітувати людський дотик. Пристрій під назвою VoxeLite може передавати найменші деталі на поверхнях до кінчиків ваших пальців, відкриваючи шлях до занурення у віртуальну реальність наступного покоління, керування робототехнікою та багато чого іншого. Ось що вам потрібно знати.

Чому сенсорні затримки в цифрових інтерфейсах

Протягом останнього півстоліття вчені поступово покращували здатність машин реагувати на ваші відчуття. Наприклад, низька частота кадрів перешкоджала якості відео на ранніх етапах, так само, як аудіосистемам потрібно було вдосконалювати своє обладнання, щоб коли-небудь реагувати на ваші вуха.

З настанням цифрової ери стало можливим досягти і навіть перевершити часову роздільну здатність ваших органів чуття. Давно минули часи піксельних цифрових екранів. Сучасні варіанти високої чіткості можуть забезпечити реалістичну якість зображення з відповідним реалістичним звуком.

Хоча наші очі та вуха привертали багато уваги, інші органи чуття запізнилися з діджиталізацією. Однак останні досягнення відкрили двері для віртуального досвіду, де ви можете ключі та нюх також. Те саме стосується сенсорного керування, яке відстає з точки зору цифрової інтеграції.

Еволюція гаптичних систем

Хоча роздільна здатність екрана досягла надлюдської чіткості, тактильна інтеграція залишилася незмінною. Цікаво, що концепція використання дотику як способу спілкування машин і людей вперше з'явилася в небі Другої світової війни. Саме тоді інженери ВПС додали тактильний зворотний зв'язок до важелів керування пілотом як частину своїх систем попередження про зрив.

У 1960-х та 1970-х роках технології поступово вдосконалювалися, оскільки люди почали досліджувати, як використовувати ці системи для передачі складніших повідомлень. Ця епоха призвела до створення тактильних телефонних систем, розроблених для людей з вадами зору.

До 1980-х років розробники відеоігор почали експериментувати з тактильним зворотним зв'язком. Гравці аркадних ігор раптово отримали кермо, яке смикалося під час руху по вибоїстих дорогах, а також зброю, яка вібрувала під час пострілу. Ці інтеграції зрештою призвели до появи різноманітних тактильних пристроїв, розроблених для того, щоб забезпечити гравцям більше занурення в гру.

Чому поточного тактильного зворотного зв'язку недостатньо

Примітно, що всі ці системи спиралися на просту вібрацію як засіб передачі інформації. Однак дотик — це складне відчуття, яке може передавати багато інформації, якщо його передати таким чином, щоб використовувати людську чутливість. На жаль, більшість систем тактильного зворотного зв'язку, що використовуються сьогодні, досі покладаються на вібраційний двигун для сповіщення людей.

Уявіть, що ваш мобільний телефон міг би робити більше, ніж просто сповіщати вас про отримання повідомлення. Що, якби він міг передавати інформацію з цього повідомлення безпосередньо вам за допомогою дотику? Ця концепція та багато іншого нарешті можуть стати реальністю завдяки деяким нестандартним мислителям.

Проблеми, що обмежують тактильний прогрес

Існує багато причин, чому ви не можете відчути тепло від вибуху у своїй VR-грі на полі бою або провести руками по броні та відчути вигини від пошкоджень. По-перше, досягнення людської роздільної здатності, здатності відповідати просторовим та часовим можливостям людських пальців, є дуже дорогим. По-перше, ці відчуття миттєві та дозволяють точно розпізнавати дрібні деталі від простого проведення пензлем по них.

На сьогоднішній день ці пристрої є великими та складними, що робить їх використання поки що нереальним. Однак нові досягнення можуть відкрити шлях до більш практичного комп'ютерного досвіду в майбутньому.

Дослідження тактильної роздільної здатності людини

Команда До тактильних відчуттів з роздільною здатністю людини: тактильний дисплей з високою пропускною здатністю, високою щільністю, який можна носити вчитися¹, опублікованій цього тижня в журналі Science Advances, висвітлює перші носимі тактильні системи, здатні забезпечити людську роздільну здатність користувачам.

VoxeLite

Тактильний датчик VoxeLite — це надзвичайно зручний носимий пристрій, розроблений для того, щоб забезпечити вам справжній цифровий сенсорний досвід. Він здатний забезпечити реалістичне зображення, водночас будучи надзвичайно зручним у носінні або ж його можна обійти для інших завдань. Цей пристрій розміщується на кінчиках пальців користувача, має товщину 0.1 міліметра та важить лише 0.19 грама.

Джерело - Science.org

Електроадгезивні вузли: як вони працюють

В основі цієї технології лежать спеціально побудовані вузли, розташовані на кінчику пальця цієї системи, що нагадує пов'язку. Щоб краще зрозуміти концепцію, можна уявити ці вузли як пікселі на екрані. Ці індивідуально адресовані м'які електроадгезивні актуатори можуть створювати розподілені сили високої роздільної здатності під час активації.

Примітно, що вузли були побудовані з використанням внутрішнього електрода та провідного зовнішнього шару, покритого м’яким гумовим куполом. Така конструкція робить їх дуже чутливими, дозволяючи їм натискати на шкіру з надвисокою швидкістю, щоб створювати точні візерунки, що відповідають оцифрованій поверхні. Примітно, що вузли підтримують 800 рухів на секунду, що забезпечує миттєвий зворотний зв’язок.

Керування вузлами за допомогою напруги та електроадгезії

Для роботи вузлів інженери використовують спеціально розроблений протокол, розроблений саме для цього завдання. Ця програма застосовує точні електростатичні сили, що призводять до електроадгезії. Ця сила подібна до того, як тертя повітряної кульки об волосся змушує його підніматися, або як кліщі можуть стрибати на великі відстані, щоб прикріпитися до своєї здобичі.

Ця високо локалізована механічна сила змушує вузол захоплювати ваш палець під точним кутом і тиском, імітуючи поверхню. Така структура дозволяє імітувати шорсткі поверхні та збільшує тертя, застосовуючи вищу напругу. Вони також можуть знижувати напругу, створюючи слизьку поверхню.

Щільність вузлів: відповідність кінчику людського пальця

В основі цієї технології лежала потреба досягти ідеальної щільності. Інженерам довелося витратити багато часу на визначення точної відстані для розміщення кожного вузла, щоб ваш палець міг розрізнити кожен вузол таким чином, щоб це дозволило цифрове відтворення поверхонь.

Якби вузли були розташовані занадто близько один до одного, вони б втратили здатність вимовляти свої дії, не змішуючись з іншими вузлами поруч, що призвело б до втрати чіткості. Також, якби вузли були розташовані занадто далеко один від одного, ви б втратили здатність відтворювати дрібні деталі.

Зрештою, команда зупинилася на вікні дизайну від 1 мм до 1.6 мм. Така структура дозволила їм створювати тактильні відчуття з тонкими текстурами та точно передавати специфічні сенсорні відчуття у двох режимах роботи пристрою.

Активний режим

В активному режимі VoxeLite постійно регулює кут нахилу та тиск вузла, щоб імітувати необхідний досвід. Уявіть, що ви проводите пальцем по екрану смартфона та відчуваєте зображення на ньому. Ці віртуальні тактильні відчуття можуть відтворити повний частотний діапазон людського дотику, відкриваючи двері для масштабних технологічних інновацій у майбутньому.

Пасивний режим

Пасивний режим використовується, коли у вас є інші завдання. Пристрій вимикається, і завдяки своєму надтонкому профілю та дизайну ви можете вести звичайний бізнес, ніби ви його взагалі не носите. Цей підхід схожий на окуляри з рецептом, на відміну від окулярів віртуальної реальності, які стають незручними вже через кілька хвилин.

Тактильний тест на людську роздільну здатність

Інженери вирішили перевірити свою теорію, використовуючи лабораторно створену установку VoxeLite з вузлами, розташованими з відстанню 1.6 мм. Учасники тесту носили пристрій та виконували кілька завдань. Під час випробувань вони контролювали здатність системи передавати дані про фізичні поверхні та віртуальні текстури за допомогою біометричних сенсорних систем.

Результати випробувань довели, що команда досягла успіху у своїй справі. Зокрема, VoxeLite зміг точно передавати текстури на частоті 800 герц. Вражаюче, він створив щільність актуаторів 110 вузлів на квадратний сантиметр, що дозволило йому успішно передавати текстуру шкіри, вельвету та махрової тканини користувачам з точністю 81%.

Переваги тактильної взаємодії з людиною

Цей тип тактильної системи пропонує багато переваг на ринку. По-перше, вона була розроблена з урахуванням комфорту. Рішення інженерів зосередитися на створенні зручного пристрою для носіння було розумним вибором. Їхній пристрій дозволяє носити його та використовувати лише за потреби в активному режимі. Крім того, його легка вага та комфорт означають, що більше людей, ймовірно, також будуть ним користуватися.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Надвисока роздільна здатність: головна перевага

Ще однією важливою перевагою є роздільна здатність. Роздільна здатність, яку може забезпечити людина, у зручному носячому пристрої здавалася неможливою протягом десятиліть, але цей новий підхід позбавляється двигунів чи інших громіздких компонентів. Натомість електростатична електрика забезпечує ідеальний спосіб маневрування вузлами для імітації дотику.

Тактильна роздільна здатність людини. Застосування в реальному світі та часова шкала:

Існує багато застосувань для надтонких, легких, гнучких, носимих пристроїв, які можуть забезпечувати глибокий тактильний зворотний зв'язок. Наприклад, вони можуть допомогти людям з вадами зору. Уявіть собі рукавичку, яка могла б повідомити когось, якщо він наближається до виступу або потенційної небезпеки. Ось кілька інших цікавих застосувань цієї технології.

VR наступного покоління: Відчуття віртуального середовища

Системи віртуальної реальності можуть стати набагато реалістичнішими, якщо ця технологія стане публічною. Уявіть, що ви проводите пальцем по кристалу у вашому улюбленому ігровому світі тощо. Ця технологія може ще більше розмити межі між віртуальним та реальним світами, що призведе до справді вражаючих віртуальних вражень.

Покращений віртуальний досвід

Хоча легко зрозуміти, як цей розвиток може принести користь іграм, ви можете не усвідомлювати, наскільки впливовим він може бути для інших цифрових секторів, таких як електронна комерція. Уявіть, що ви можете відчути текстуру на своїй наступній купленій футболці, перш ніж вона прибуде. Це та багато іншого стане можливим.

Робототехніка та телеманіпуляція

Одна з галузей, яка безумовно отримає найбільшу користь від цього дослідження, – це сектор робототехніки. Протягом десятиліть інженери змагалися у створенні роботизованих рук, які могли б відчуватися як людські руки. Хоча було багато спроб, цей тип тактильного зворотного зв'язку може дозволити контролеру відчувати те, що відчуває робот.

Таким чином, це дозволило б людський дотик через наскрізний зв'язок і відкрило б шлях для високоточних роботизованих завдань. Ця стратегія могла б надихнути на більше робототехнічних операцій, оскільки хірург міг би отримати додаткову інформацію через дотик.

Хронологія тактильної оцінки людської роздільної здатності

Можливо, пройде ще 5-7 років, перш ніж ця технологія зможе потрапити до громадськості. Однак, на неї існує великий попит у багатьох галузях, особливо в медичному секторі. Таким чином, цю технологію спочатку можна буде інтегрувати в роботизовані хірургічні системи, перш ніж вона потрапить до геймерів та покупців.

Дослідники тактильної здатності людини

Північно-Західний університет очолив дослідження тактильного зворотного зв'язку з роздільною здатністю людини. У статті зокрема згадуються інженери Сільвія Тан, Майкл А. Пешкін, Роберта Л. Клацкі та Дж. Едвард Колгейт як учасники.

Примітно, що Колгейт і Пешкін у минулому працювали над системою, яка використовувала електроадгезію для модуляції тертя між кінчиком пальця та сенсорним екраном. Ця робота розглядається як продовження цього дослідження. Вона вдосконалює концепцію, роблячи її зручною для носіння та точнішою.

Майбутнє тактильної діагностики з роздільною здатністю людини

Інженери вважають, що їхня робота призведе до того, що пристрої VoxeLite стануть звичайним явищем. Обговорюючи своє бачення, вони описали світ, у якому користувачі носитимуть свої VoxeLite протягом дня, як BT-гарнітури чи окуляри, використовуючи їх за потреби для взаємодії зі своїм смарт-екраном та іншими пристроями.

Інвестування в інновації віртуальної реальності

У секторі віртуальної реальності є кілька компаній, які продовжують розвивати цю технологію. Ці компанії хочуть покращити досвід віртуальної реальності за допомогою нових стратегій сенсорного введення. Ось одна фірма, яка продовжує бути піонером інновацій у секторі віртуальної реальності, зберігаючи при цьому найкращі бізнес-практики.

Unity Software Inc. (АБО)

Компанія Unity Software розпочала свою діяльність як розробник відеоігор у 2004 році, перш ніж переорієнтувати свою бізнес-стратегію на ігрові двигуни. Засновники компанії, Девід Гельгасон, Ніколас Френсіс та Йоахім Анте, побачили цінність у спрощенні розробки 3D-віртуального світу.

Це рішення допомогло компанії перетворитися на провідного постачальника ігрових двигунів. Сьогодні її платформа забезпечує симуляції, фільми, VR-досвід, аерокосмічні розробки тощо. Тим, хто хоче ознайомитися з VR-сектором, варто розглянути можливість проведення додаткових досліджень щодо Unity Software та її продуктів.

Останні новини та показники акцій Unity Software Inc (U)

Тактильна діагностика людської роздільної здатності | Висновок

Дослідження тактильного зворотного зв'язку з роздільною здатністю людини – це революційний крок вперед у технологіях. Унікальна стратегія інженерів, яка спирається на електростатичні сили, наразі виявилася найкращим варіантом. Сподіваємося, що інженери зможуть ще більше вдосконалити своє творіння та зробити його доступним для широкої аудиторії, відкривши двері для нового рівня віртуального занурення для всіх.

Дізнайтеся про інші цікаві розробки у сфері віртуальної реальності тут

Посилання

^{1. Тан, С., Пєшхін, М.А., Клатскі, Р.Л. та Колгейт, Дж.Є. (2025). На шляху до тактильної чутливості з роздільною здатністю людини: високошвидкісний, високощільний, носимий тактильний дисплей. Наукові досягнення. https://doi.org/adz5937}