Устройство выходит за пределы простых вибраций и создаёт сложные осязательные ощущения

Современные технологии тактильной отдачи (haptic feedback) в основном ограничиваются простыми вибрациями. Но наша кожа намного чувствительнее — она способна воспринимать давление, растяжение, скольжение и другие типы механического воздействия.

Теперь инженеры из Северо-Западного университета (Northwestern University) представили новое устройство, способное с высокой точностью воссоздавать эти сложные осязательные ощущения. Исследование будет опубликовано в журнале Science.

Компактное, лёгкое и беспроводное устройство крепится на кожу и способно создавать силу в любом направлении, имитируя не только вибрации, но и растяжение, давление, скольжение и кручение. Комбинируя эти воздействия и варьируя их скорость, система создаёт реалистичную и многообразную тактильную картину.

Работает устройство от небольшой аккумуляторной батареи и подключается к VR-гарнитурам и смартфонам через Bluetooth. Благодаря малым размерам, оно может быть размещено в любом месте тела, объединено в массивы или встроено в уже существующие носимые устройства.

Разработчики считают, что новая технология откроет широкие перспективы: от усиления ощущений в виртуальной реальности до помощи людям с нарушениями зрения и слуха. Например, устройство может помочь «ощущать» музыку или распознавать текстуры при онлайн-шопинге.

«Почти все современные тактильные устройства просто "тычут" в кожу, — объясняет Джон А. Роджерс (John A. Rogers), руководитель разработки. — Но кожа чувствительна к гораздо более сложным воздействиям. Мы создали миниатюрный актуатор, который может толкать кожу в любом направлении — и точно управлять этими ощущениями в программируемом режиме.»

Роджерс — профессор материаловедения, биомедицинской инженерии и нейрохирургии в Northwestern University, а также директор института Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Соавтор и со-руководитель проекта — Йонган Хуанг (Yonggang Huang), профессор машиностроения и гражданской инженерии. Первые авторы исследования: Кёнг-Хо Ха (Kyoung-Ho Ha), Джейён Ю (Jaeyoung Yoo) и Шупен Ли (Shupeng Li).

Исследование стало продолжением ранней работы лабораторий Роджерса и Хуанга, в которой был создан программируемый массив мини-вибраторов для передачи прикосновений.

Проблема современной тактильной технологии

Несмотря на бурное развитие аудио- и видеотехнологий, haptics остаётся на месте. Даже передовые устройства обеспечивают лишь вибрации с разными паттернами. Это связано со сложностью человеческого осязания: в коже расположены разные типы механорецепторов, каждый из которых реагирует по-своему, а их активация требует тонкой настройки силы, направления и продолжительности воздействия.

«Механика деформации кожи невероятно сложна, — говорит Дж. Эдвард Колгейт (J. Edward Colgate), соавтор и эксперт по haptics. — Кожу можно не только надавить, но и растянуть, причём медленно или быстро, и в сложных паттернах. Мы хотели это учесть.»

Актуатор нового поколения

Для решения этой задачи команда разработала первый актуатор с полной степенью свободы движения (Full Freedom of Motion — FOM). Он может воздействовать на кожу во всех направлениях, в отличие от традиционных устройств с ограниченными возможностями.

«Это реальный шаг вперёд, — подчёркивает Колгейт. — Актуатор FOM может не только толкать, но и растягивать, крутить кожу. Он работает в массивах и даёт поразительное разнообразие ощущений.»

Размер устройства — всего несколько миллиметров. Внутри — миниатюрный магнит и система катушек. При подаче тока создаётся магнитное поле, которое перемещает магнит, вызывая нужное воздействие на кожу.

«Важно достичь баланса между компактностью и мощной отдачей, — добавляет Хуанг. — Мы использовали математические модели для оптимизации конструкции.»

Реалистичное прикосновение и навигация

С обратной стороны устройства размещён акселерометр, который определяет положение и движение в пространстве. Это позволяет адаптировать отдачу под движения пользователя — например, различать, вверх или вниз направлена ладонь.

Это особенно полезно при взаимодействии с цифровыми текстурами. «Прикосновение к шёлку даст меньше трения, чем к вельвету, — говорит Роджерс. — Теперь можно будет ощущать ткани даже при покупках онлайн.»

Кроме прикосновений, устройство передаёт информацию через кожу: например, переводит музыку в вибрации разной частоты и направления. Пользователи могут различать инструменты по характеру отдачи.

«Мы смогли преобразовать характеристики звука в тактильные сигналы, — говорит Роджерс. — Это делает цифровой опыт более естественным и насыщенным.»