Гідрохаптика: м'які поверхні зі справжнім силовим зворотним зв'язком

Дотик — одне з наших найважливіших відчуттів, і воно починає розвиватися ще до нашого народження. Насправді це найдавніше відчуття, яке розвинулося в ембріології людини.

Як невід'ємна частина нашого життя, дотик виникає, коли спеціалізовані нейрони відчувають тактильну інформацію від шкіри та передають її в мозок, де вона сприймається як температура, тиск, біль та вібрація.

Наші сенсорні нейрони дуже різноманітні, а їхні кінці розташовані в різних сенсорних структурах. Ці нейрони працюють у гармонії, щоб розпізнавати багато різних якостей дотику.

Зі зростанням нашого розуміння складної мови дотику зростала й наша здатність відтворювати її за допомогою технологій. Саме тут з'являється тактильна техніка – нова галузь, яка перетворює сенсорне багатство людського дотику на цифровий та механічний досвід.

Похідне від грецького слова «гаптеїн», що означає контакт або дотик, гаптика стосується сприйняття та маніпулювання за допомогою дотику. Вона також включає використання технологій для створення тактильних відчуттів, таких як вібрація або зворотний зв'язок по силі. Прикладами є ігрові контролери, вібрація смартфона, роботизована хірургія, і віртуальна реальність.

Тактильні технології дозволяють користувачеві опосередковано торкатися та відчувати віддалені об'єкти. Спеціальні пристрої, такі як джойстики та рукавички для обробки даних, забезпечують зворотний зв'язок від комп'ютерних програм у вигляді тактильних відчуттів. Забезпечуючи примусовий зворотний зв'язок тим, хто взаємодіє з віртуальними середовищами, тактильні технології створюють двонаправлений потік інформації.

Еволюція тактильних технологій 

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

З моменту своєї появи близько півстоліття тому, тактильна техніка перетворилася на складну галузь, де такі відчуття, як текстура, температура, тиск і навіть м'якість, можуть бути перенесені в повсякденні предмети. Це нове покоління тактильної технік обіцяє наблизити цифровий досвід до реальної, фізичної взаємодії.

Різноманітний спектр тактильних технологій, що формують сучасні інтерфейси, показує, наскільки стрімко розвивалася ця технологія.

Смартфони та портативні пристрої використовують вібротактильний зворотний зв'язок для генерації вібрацій, тоді як електростатична тактильна технологія в сенсорних екранах і трекпадах створює ілюзію текстури або тертя на гладкому екрані. Термічна тактильна технологія імітує зміни температури, щоб надати віртуальній взаємодії більше реальності.

Зворотний зв'язок по силі додає відчуття тиску або руху, щоб зробити взаємодію більш реальною. Тактильні актуатори та двигуни – це те, що створює відчуття опору на ігровому контролері або пристрої віртуальної реальності.

Окрім цього, нові розумні матеріали, такі як електроактивні та магнітореологічні полімери, які змінюють форму або твердість під впливом електричних або магнітних полів, забезпечують гнучкий тактильний зворотний зв'язок.

Також існують п'єзоелектричні гаптичні пристрої для точного та локалізованого зворотного зв'язку за допомогою напруги. Невеликі бічні сили застосовують невеликі бічні сили до шкіри, тоді як мікрофлюїдні гаптичні пристрої використовують крихітні рідинні канали для імітації відчуттів дотику.

Ще однією технологією в цій зростаючій галузі є пневматична та гідравлічна тактильна техніка, яка використовується для імітації сили зчеплення, ваги або удару шляхом використання тиску повітря або рідини.

Серед них гідравлічна тактильна технологія набуває великої популярності серед дослідників як високоточна тактильна технологія. Зрештою, ця нова технологія забезпечує потужні та реалістичні відчуття які перевершують можливості старіших тактильних систем на основі вібрації.

Використання рідин тут дозволяє створювати сильний, точний та високодинамічний зворотний зв'язок по силі. Крім того, гідравлічні тактильні системи можуть забезпечувати швидкі та реалістичні теплові відчуття завдяки швидкій циркуляції води різної температури. Крім того, гідравлічні та пневматичні системи можуть бути інтегровані в м'які, гнучкі пристрої, що дозволяє створювати більш природні тактильні відчуття, що зменшують втому користувача та підтримують спритність.

Оскільки сучасні тактильні пристрої часто є громіздкими та жорсткими, що робить їх непридатними для повсюдної взаємодії, дослідники вирішили цей недолік, розробивши мініатюрні гідравлічні насоси та приводи, що дозволило створити невеликі, носимні пристрої, які набагато практичніші для щоденного використання.

Наприклад, кілька років тому дослідники з Autodesk Research, Університету Манітоби та Університету Торонто співпрацювали, щоб створити ГідроКільце¹, пристрій, який носять на пальці для передачі тактильних відчуттів температури, вібрації та тиску, що дозволяє здійснювати тактильну взаємодію в змішаній реальності. 

В активному режимі цей носимий пристрій забезпечує відчуття за допомогою рідини, яка проходить через тонку гнучку трубку, що одягається на подушечку пальця. У пасивному режимі він мінімально впливає на спритність користувача та сприйняття подразників.

Зовсім недавно дослідники з Технологічного інституту Джорджії представили своє м'яке тактильне кільце², яке поєднує пневматичне та гідравлічне приведення в дію для імітації м’якості, шорсткості та теплового впливу на проксимальну фалангу. Це кільце, виготовлене з силікону EcoFlex 00-30, що відповідає механічним властивостям людської шкіри, дозволяє користувачам використовувати кінчики пальців для дослідження навколишнього середовища. 

Його конструкція передбачає одночасну передачу вібрації за допомогою пневматичного надування, теплових відчуттів за допомогою циркуляції води в гідравлічному контурі та тиску. 

Після оцінки ефективності методів кільця та візуалізації, дослідники провели дослідження користувачів за участю 15 учасників. Вони виявили, що рівень точності здатності учасників зіставляти віртуальні текстури з реальними сягав 90%. Багатовимірні оцінки прикметників також вказують на те, що пристрій ефективно передавав різні тактильні відчуття в різних модальностях.

Кілька років тому дослідники з Університету Карнегі-Меллона просунули технологію далі, розробка тактильних технологій на основі гідравліки³ достатньо тонкий, лише 5 мм, щоб його можна було розмістити в OLED-екрані, що дозволить фізично відчувати сповіщення на сенсорному екрані. 

Нова технологія відображення може забезпечити користувачам більш захопливий та інтерактивний спосіб взаємодії зі сповіщеннями, натискання кнопок та друку на клавіатурі. За словами дослідників, прототип технології може також забезпечити динамічні інтерфейси на інших пристроях, таких як музичні плеєри, ігри, електромобілі тощо.

Тепер дослідники з Університету Бата розробив нову адаптивну технологію⁴ називається HydroHaptics, що реагує навіть на дотики та стискання.

Чому гідравлічна тактильна техніка перевершує пневматичну (пояснення гідротактичної техніка)

М'які та гнучкі інтерфейси пропонують унікальний потенціал взаємодії, але мають обмежений зворотний зв'язок по зусиллю. Тут пневматичні підходи не підходять, оскільки їм бракує чутливості та точності, тоді як мікрогідравлічні рішення мають обмежений вхідний сигнал. 

Отже, гідравлічні системи є ідеальним варіантом. Гідравлічні системи використовують рідину як робочу рідину, на відміну від пневматичних систем, які використовують повітря, стисливість якого обмежує швидкість і точність сили та переміщення на виході. Рідина забезпечує більшу точність, а також кращу чутливість на виході. 

Сучасні інтерактивні гідравлічні моделі переважно використовують мікрогідравліку, яка може забезпечити покращений контроль, але має обмеження за обсягом, що обмежує інтерфейс невеликими кнопками, що, у свою чергу, впливає на гнучкість введення та різноманітність форм. 

Під час проектування гідравлічних інтерактивних систем також доводиться мати справу з витоками, обмеженою зворотною тягою та необхідністю спеціалізованих компонентів, що ускладнює їх досягнення.

Отже, дослідники створили HydroHaptics, нову систему, яка забезпечує високоточний зворотний зв'язок по зусиллю на деформованих інтерфейсах за допомогою гідростатичної передачі. Ця платформа здатна підвищити якість зворотного зв'язку по зусиллю на м'яких інтерфейсах, зберігаючи при цьому якості, що забезпечують насичений користувацький досвід, тобто гнучкість, м'якість та свободу введення даних.

Ця технологія має кілька переваг. По-перше, вона працює від безщіткового двигуна постійного струму та не потребує насосів, клапанів та регуляторів. Використовуючи доступність, цінову доступність та можливості керування компактним двигуном, дослідники можуть створювати ефекти зворотного зв'язку по силі на HydroHaptics. 

Проектування з меншою кількістю компонентів для масштабованості зменшує схильність системи до витоків, водночас роблячи її адаптованою до більших інтерфейсів. Більшість компонентів, що використовуються в системі, також є або готовими деталями, або виготовленими на 3D-принтері.

Крім того, HydroHaptics є внутрішньо двонаправленою технологією, що дозволяє як сприймати взаємодію вхідної сили, так і забезпечувати зворотний зв'язок про силу. Це означає, що нова технологія забезпечує двосторонній зв'язок між людиною та предметом, який вона тримає або носить. 

Разом усі ці переваги надають унікальні можливості для дослідження тактильних взаємодій на м'яких інтерфейсах та розробки нових деформованих пристроїв.

Зараз HydroHaptics — це система з відкритим вихідним кодом із герметичною гідравлічною коміркою, яка містить фіксовану кількість рідини, що є нестисливою та гідравлічно з'єднує дві гнучкі поверхні комірки. Це дозволяє передавати двонаправлену силу між ними.

Лінійний механічний привід діє як тактильний двигун, який може забезпечувати зворотний зв'язок по силі, зміщуючи рідину, передаючи силу на деформований інтерфейс. Щоб інтерфейс міг деформуватися, той самий двигун рухається у відповідь на силу, що прикладається до деформованого інтерфейсу, підтримуючи при цьому тиск у гідравлічній комірці, який регулюється для забезпечення різних рівнів жорсткості.

Використовуючи цей підхід, користувачі можуть відчувати вібрації, різкі клацання та різний опір, водночас поверхня зберігає свою природну м’якість та гнучкість, незалежно від того, як її натискають, стискають чи скручують, «щось, що досі було просто неможливо», — сказав співкерівник дослідження Джеймс Неш, аспірант факультету комп’ютерних наук у Баті.

Отже, людина може защипати, постукати або повернути предмет, такий як гнучка комп’ютерна миша, предмет одягу або подушка, і цей предмет відреагує виразним та змістовним чином, наприклад, приглушивши світло, створивши фігуру на екрані або перемкнувши телеканал.

Введення користувача також можна виявити шляхом моніторингу внутрішнього тиску.

«Вхідні дані від користувача сприймаються системою через об’єкт, а потім користувач відчуває тактильну реакцію системи через деформовану поверхню».

– Керівник дослідження, професор Джейсон Александер з кафедри комп’ютерних наук у Баті.

Таким чином, HydroHaptics дозволяє отримувати чіткі тактильні відчуття на м'яких, деформованих інтерфейсах, що наразі є непрактичним за допомогою існуючих підходів.

Завдяки HydroHaptics дослідники відкривають двері до захопливих можливостей для сенсорної взаємодії зі звичайними предметами. Ця технологія може принести велику користь іграм, носимим технологіям, медичному моделюванню, дизайну продуктів та іншим галузям.

Наступна хвиля взаємодії людини з комп'ютером

Команда вчених-комп'ютерників з Бата представила своє дослідження про гідрохаптику на симпозіумі ACM з програмного забезпечення та технологій користувацького інтерфейсу (UIST '25) кілька тижнів тому, де стаття отримала почесну згадку.

У своєму існуючому вигляді система має циліндричну форму, у верхній частині якої розташований деформований купол із силікону, що утворює відкриту верхню поверхню комірки, нижня частина якої також герметично закрита гнучкою силіконовою мембраною. Безпосередньо під коміркою розташований датчик тиску та гвинтова каретка, яка живиться від двигуна постійного струму.

Коли користувач взаємодіє з куполом, наприклад, натискаючи або стискаючи його, він витісняє воду, змушуючи її тиснути на нижню мембрану та розширювати її. Датчик виявляє результуюче збільшення тиску та зіставляє його з відповідним жестом та командою, пов'язаною з ним.

Для забезпечення тактильного зворотного зв'язку пристрій використовує двигун для стиснення комірки знизу, що штовхає купол вгору до пальця користувача, створюючи відчуття коливальної вібрації, чіткого клацання або натягнутої кнопки.

Щоб продемонструвати здатність HydroHaptics покращувати взаємодію за допомогою дрібнозернистого зворотного зв'язку по силі, команда інтегрувала його у чотири повсякденні програми. 

Комп'ютерна миша з м'яким силіконовим куполом, що деформується та доповнюється силою, що дозволяла користувачам створювати цифрові об'єкти на екрані, натискаючи та деформуючи поверхню миші. 

Невелика інтерактивна подушка, яка забезпечує тактильний зворотний зв'язок, зберігаючи при цьому свою м'якість. У подушку поміщено мішечок HydroHaptic для керування смарт-пристроями під час натискання або стискання.

Рюкзак, який забезпечує зворотний зв'язок щодо сили на тілі через лямки. Він передавав сповіщення зі смартфона через дотики та натискання плеча, що також можна використовувати для навігації.

Джойстик із доповненою силою, надрукований на 3D-принтері, удосконалено за допомогою технології HydroHaptic для кращого занурення у відеогру. Тактильний зворотний зв'язок надавався гравцям під час гри, імітуючи напругу, опір або різкий удар.

Ці програми вперше демонструють інтеграцію якісного тактильного зворотного зв'язку в м'які, гнучкі інтерфейси та об'єкти. І команда бачить великий потенціал для своєї технології в широкому спектрі інтерактивних пристроїв.

«Наші експерименти показують, що це надійна система, яка дозволяє людині взаємодіяти з м’якими об’єктами змістовним чином, що покращить наш спосіб життя та роботи».

– Професор Джейсон Александер

Щоб проілюструвати потенціал HydroHaptics, він навів приклад, коли користувач відчуває фізичні ефекти в подушці, на яку він спирається, що відображає те, що відбувається на телевізорі перед ним. Наприклад, вібрація подушки, коли автомобіль їде по вибоїстій дорозі на телевізорі, або подушка стає твердою, коли хтось вдаряється об тверду стіну. Інший приклад — користувач рюкзака, якому не потрібен телефон для навігації, оскільки ремені будуть направляти його до плеча, ніжно натискаючи на нього.

«Це лише два з багатьох способів, як ця технологія може бути інтегрована в наше життя в недалекому майбутньому».

- Олександр 

Щоб оцінити продуктивність своєї технології, команда провела серію технічних оцінок за допомогою високоточної роботизованої руки та провела дослідження користувачів. Під час дослідження команда продемонструвала здатність HydroHaptics створювати чіткі тактильні ефекти із середньою точністю ідентифікації 82.6% для всіх ефектів та 92.8% для найчіткішого ефекту. 

Хоча інші дослідницькі групи також працюють над м'якими, деформованими інтерфейсами, створивши прототипи, які демонструють високо локалізовані відчуття або різні рівні низькоточного зворотного зв'язку, вони не досягли рівня масштабу, точності та роздільної здатності HydroHaptics.

Команда вважає, що продукти HydroHaptics можуть бути готові до виходу на ринок незабаром, якщо інтерес до їхньої технології буде якимось показником. «За наявності достатніх ресурсів не було б нереалістично, щоб це сталося в продукті через рік чи два», – сказав професор Александер.

Але, звичайно, команді спочатку потрібно вдосконалити тактильний двигун, щоб зменшити його об'єм та зробити придатним для комерційного застосування.

Система також не позбавлена ​​технічних обмежень. Як зазначається в статті, повітря може потрапити в гідравлічну комірку або з часом просочитися в систему, що може знизити її продуктивність. Крім того, високий вихідний тиск створює потребу в значній потужності, що може призвести до теплових проблем.

Коли йдеться про тактильний двигун, підхід команди залежить від його жорсткості, і хоча його можна відокремити за допомогою гнучкої трубки, він повинен залишатися з'єднаним з інтерфейсом, що не завжди можливо для повністю деформованих інтерфейсів. У дослідженні зазначається:

«HydroHaptics являє собою значущий крок до досягнення довгострокової мети – створення повністю деформованих систем тактильного зворотного зв’язку по силі, і майбутня робота має бути спрямована на зменшення кількості та розміру жорстких компонентів». 

Інвестування в технології тактильної діагностики

Texas Instruments (TXN ) is напівпровідниковий гігант яка розробляє аналогові та вбудовані процесорні мікросхеми для різних ринків, включаючи персональну електроніку, автомобільну техніку, комунікаційне обладнання, промислові та корпоративні системи.

TI також є важливим гравцем у галузі тактильних технологій, пропонуючи інтегровані рішення, що включають тактильні драйвери, контролери сенсорних екранів та програмні бібліотеки для створення тактильного зворотного зв'язку в побутовій електроніці та промислових продуктах.

Texas Instruments (TXN )

З ринковою капіталізацією в 160.5 мільярда доларів, акції TXN зараз торгуються за ціною 176.93 долара, що на 5.83% менше, ніж з початку року, але на 26.4% більше, ніж у квітні. Акції TXN фактично досягли історичного максимуму (ATH) на рівні 221.69 долара в липні.

Прибуток на акцію (TTM) компанії Texas Instruments становить 5.28, а коефіцієнт P/E (TTM) – 33.46. Акціонерам пропонується дивідендна дохідність у розмірі 3.22%. 16 жовтня TI оголосила про квартальні дивіденди у розмірі 1.42 долара США на акцію звичайних акцій. Минулого місяця дивіденди були збільшені на 4%, що стало 22 роком поспіль зростання.

Останні результати (2 квартал 2025 року): Texas Instruments повідомляє Дохід склав 4.45 млрд доларів США (+16% у річному обчисленні, +9% у квартальному обчисленні), чистий прибуток – ~1.30 млрд доларів США, а прибуток на акцію – 1.41 дол. США. Керівництво прогнозувало дохід за третій квартал на рівні 4.45–4.80 млрд доларів США. Вільний грошовий потік (TTM) у звіті за другий квартал 2025 року становив ~1.8 млрд доларів США.

Висновок

У міру розширення та зростання світу тактильних технологій, HydroHaptics представляє собою зміну парадигми в як ми будемо торкатися і бути доторканими за допомогою технології. Поєднуючи м’які, деформовані інтерфейси з точним зворотним зв’язком по силі, ця технологія відкриває двері до більш насиченої та природної взаємодії з нашими пристроями та середовищем. 

Від захопливих розваг до медичної підготовки та розумних будинків, ця технологія може переосмислити те, як люди та машини спілкуються.

Список використаної літератури:

1. Хан, Т., Андерсон, Ф., Ірані, П. та Гроссман, Т. (2018). HydroRing: Підтримка тактильних відчуттів змішаної реальності з використанням потоку рідини. In Матеріали 31-го щорічного симпозіуму ACM з програмного забезпечення та технологій користувацького інтерфейсу (UIST '18) (с. 913–925). Асоціація обчислювальної техніки. https://doi.org/10.1145/3242587.3242667
2. Санц Косколлуела, А., і Вардар, Ю. (2025). Генерація мультимодальних текстур за допомогою м'якого гідропневматичного тактильного кільця. Ельзевір Б.В. https://doi.org/10.2139/ssrn.5170637
3. Шульц, К. та Гаррісон, К. (2023). Плоскопанельні гаптичні прилади: вбудовані електроосмотичні насоси для масштабованих дисплеїв форми. In Матеріали конференції CHI 2023 року про людський фактор в обчислювальних системах (Стаття 745). Асоціація обчислювальної техніки. https://doi.org/10.1145/3544548.3581547
4. Неш, Дж. Д., Сове, К., ван Ріт, К. М., ван Остерхаут, А., Шарма, А., Кларк, К., та Олександр, Дж. (2025). Гідрохаптика: високоточний зворотний зв'язок по силі на м'яких деформованих інтерфейсах з використанням гідростатичної передачі. У книзі А. Біанкі, Е. Глассмана, В. Е. Маккея, С. Чжао, Дж. Кіма та І. Оуклі (ред.), Матеріали 38-го щорічного симпозіуму ACM з програмного забезпечення та технологій інтерфейсу користувача (UIST '25) (Стаття № 59). Асоціація обчислювальної техніки. https://doi.org/10.1145/3746059.3747679