Искусство прикосновения: хептика технология осязания
- Ученые, занимающиеся совокупностями тактильной обратной связи, уверены, что хептика — одно из направлений, каковые радикально поменяют мир на отечественных глазах
Совокупность Cybergrasp ценой $60 000 представляет собой экзоскелет и перчатку, разрешающую приобретать тактильные ощущения от сотрудничества с виртуальной средой. Это достаточно эластичная совокупность — ее элементы употребляются и для тренировки космонавтов NASA, и для трехмерной анимации на киностудиях
- Пользуясь игровым пультом Novint Falcon (0), вы кладете руку на шарообразный набалдашник рычага управления и путешествуете по виртуальным мирам, подкрепляя собственные впечатления силовой обратной связью
Neonode N2 — один из многих телефонов с сенсорным экраном, где вибрации имитируют те ощущения, каковые появляются, в то время, когда нажимаешь на настоящие кнопки
В лаборатории микродинамических совокупностей при Университете Карнеги — Меллон это экспериментальное хептическое устройство на базе магнитной левитации применяют чтобы дать численную оценку многим тактильным ощущениям — таким, как чувство шершавости либо эластичности
Передо мной на столе устройство, которое и язык как-то не поворачивается назвать «джойстиком», не смотря на то, что по сути это он, тот самый интерфейс. Но, тот, да не совсем — сейчас это изощреннейший пример нового механизма, которому суждено поменять сам темперамент общения между машиной и человеком.
Мы находимся в лаборатории микродинамических совокупностей в Питтсбурге, в Университете Карнеги-Меллон, а стоящий перед нами интерфейс именуется так: «хептическое устройство на принципе магнитной левитации». Аппарат угнездился в чашеобразной лунке среди стола. Его пластиковая рукоятка торчит среди ярко раскрашенных красных и светло синий магнитных вкладышей.
На прикосновение устройство отвечает чуть подрагиванием и заметным гуденьем.
Мелкий сферический курсор на мониторе парит над равниной, утыканной какими-то маленькими корявыми конусами. Посредством джойстика я могу обследовать трехмерный ландшафт как бы на ощупь. В случае если я надавлю на джойстик сверху вниз, маленькая летающая сфера скинет высоту. Вот я уже тащу собственный шарик прямо по ухабистой скалистой равнине, и рукоятка подрагивает в ладони. На удивление радостно и смешно.
Меня трясет, покуда я тащусь над кучкой пирамидок, позже медлено скольжу над равниной в этот самый момент — бэмц! — врезаюсь в массивную стенку. Я ощущаю, как джойстик сопротивляется моей руке. Любой участок в данной виртуальной игре — игровая площадка со своей собственной фактурой, и хептический контроллер как-то ухитряется переводить текстуру поверхности в такое поведение джойстика, которое вы имеете возможность ощутить собственной рукой.
Из всех данных нам эмоций больше всего мы склонны проигнорировать осязание, но сейчас техника добралась и до него.
Хептика — это громадный мир с бесконечными возможностями. От областей науки и техники, которые связаны с эмоцией осязания, тянутся практические применения, внедряющиеся во все сферы судьбы — от портативных электронных устройств до роботов с дистанционным управлением. Но за пределами научно-инженерного сообщества до тех пор пока еще с этим направлением фактически никто не знаком. «Люди кроме того не знают для того чтобы слова — хептика», — говорит Ральф Холлис, начальник лаборатории микродинамики.
Мы уже избалованы электронными устройствами, талантливыми радовать и изумлять ухо и глаз практически неотличимой имитацией действительности, и на этом фоне уделом хептики представляются довольно незамысловатые сферы применения — погромыхивающие пульты для игр да виброзуммеры, предваряющие в мобильнике простой звуковой сигнал. «Лишь на данный момент настало время перейти от механических переключателей и простых клавиатур к прочим поверхностям и сенсорным экранам, реагирующим на прикосновение, — говорит Майк Левин, вице-президент калифорнийской компании Immersion, специализирующейся на выпуске хептических интерфейсов. — Когда-то мы потеряли сообщение с миром тактильных ощущений, а сейчас пришло время вернуть его». Помимо этого, около появляется множество социальных сетей и игр, щедро украшенных прекрасными трехмерными декорациями, — в них уже тяжело ориентироваться, опираясь лишь на двумерный экран.
В случае если скрестить хептику с последними достижениями робототехники, мы возьмём хорошие тренажеры для докторов — они разрешат нарабатывать в виртуальной среде узкие навыки сложных операций. Сенсорная обратная сообщение делается все более четкой, еще мало, и эта разработка раскроет новые возможности перед дистанционно управляемыми аппаратами, разрешит с большей уверенностью маневрировать и функционировать в далекой, непривычной обстановке. Для успешной работы хептических механизмов от инженеров требуется узкая настройка множества датчиков, приводных механизмов, моторчиков и магнитов, талантливых имитировать прикосновения и те фактуры, каковые разрешают на ощупь пробираться по окружающему нас миру.
Мастерство осязания
Хептическое устройство, которое мы видели в лаборатории микродинамики в Карнеги-Меллон, выстроено на принципе магнитной левитации и отлажено так совершенно верно, как это вероятно при нынешнем уровне разработки. Совокупность магнитных связей дает мгновенную реакцию — без запаздываний и люфтов, столь характерных для механических совокупностей силовой обратной связи. Эти по усилиям и координатам обновляются 3000 раз в секунду.
Устройство демонстрирует довольно высокую жесткость — порядка 400 Н на 1 см, другими словами вам не удастся не подметить, в то время, когда ваш курсор упрется в препятствие. Единственный недочёт — ограниченный диапазон смещений. Плавающий джойстик способен сдвигаться лишь на 1 см в каждом направлении и наклоняться всего на 140.
Меньше, размах перемещений подобен тем, какие конкретно мы совершаем, в то время, когда пишем карандашом по бумаге.
По словам Холлиса, устройство создано только для лабораторных потребностей, не смотря на то, что неспециализированное значение этих изучений выходит за рамки компьютерно-научных приложений. «Под флагом хептики объединились исследователи из трех разных научных дисциплин, — говорит он. — Это инженеры, чье дело конструировать новые механизмы, математики, разрабатывающие действенные методы, и психологи, старающиеся осознать, как же в действительности действует чувство осязания».
Психолог Роберта Клацки, сотрудник Холлиса по Карнеги-Меллон, применяет это магнитолевитационное хептическое устройство для собственных изучений. Она тестирует добровольцев, выясняя, как человеку характерно принимать такие ощущения, как, например, шероховатость поверхности. Клацки выполнена самых радужных надежд касательно потенциальных возможностей в применении хептической обратной связи.
Вот что она говорит о применении данной технологии при торговле через интернет: «Перед тем как заказать ткань и оплатить ее по email, вы сможете попытаться материал на ощупь». Более того, «хептика разрешит вырабатывать такие осязательные ощущения, каковые, живя в отечественном материальном мире, вы бы ни при каких обстоятельствах не смогли пережить».
Разработка, которую возможно пощупать
В бытовой электронике тактильная обратная сообщение обязана смотреться убедительно для пользователя и не противоречить самому характеру устройства. Чувство прикосновения делится на две категории — это тактильные ощущения через поверхность кожи (так мы чувствуем пупырчатую фактуру баскетбольного мяча) либо более глубокие кинестетические импульсы, поступающие от сухожилий и мускулов (так воспринимается удар по бейсбольному мячу, в то время, когда бита у нас в руках).
Уже имеется такое снаряжение для игр (к примеру, куртка TN Games 3rd Space и шлем HXT), где ощущения второго рода имитируются встроенным воздушным компрессором — в то время, когда летящая из экрана пуля попадает в игрока, он для убедительности приобретает в голову воздушный импульс под давлением в несколько воздухов. Но, современные изучения в данной области сосредоточены на том, как убедить пальцы, прикасающиеся к сенсорному экрану, в наличии кнопок, которых в действительности нет.
Такие производители, как LG, Motorola, Neonode и Samsung, уже производят оборудование, где виртуальные, не существующие в конечном итоге кнопки на экранах однако определяются на ощупь. Для этого употребляются микромоторы с эксцентриками наподобие виброзвонка в мобильнике. Любой раз, в то время, когда палец касается виртуальной кнопки на экране, включается таковой вибратор.
на данный момент Nokia разрабатывает проект мобильного устройства под кодовым заглавием Hapticos (см. врезку).
В случае если пользователь нажимает на ничего не значащий участок экрана, он не возьмёт в ответ никакого сигнала, но стоит прикоснуться к вибрации экрана — и виртуальной кнопке сымитируют чувство, появляющееся, в то время, когда кнопка со щелчком уходит вглубь. Изменяя темперамент вибраций, создатель прибора может сделать так, дабы различные действия приводили к различной реакции. Так, в ответ на круговое перемещение пальцем экран ответит щелчком, а вдруг пальцем совершить по экрану, то возможно будет ощутить шершавую фактуру наподобие наждачной шкурки.
Чувствительные поверхности с хептической обратной связью — огромное подспорье для инженеров, создающих новую технику. На выставке бытовой электроники Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе в текущем году компания 3 М совместно с компанией и известным поставщиком Visteon показали концепт-кар, оборудованный хептическими органами управления. Все ручки и кнопки оказались на панели управления лишь в тот момент, в то время, когда к ним приближалась рука водителя.
Трехмерной виртуальной среде хептика додаёт реалистические штрихи. На протяжении странствий по трехмерному миру, отображенному на двумерный экран, не редкость очень полезно не только заметить, но и физически почувствовать, что ты врезался либо уперся в какое-то препятствие.
Сейчас виртуальные миры связаны по большей части с компьютерными играми, но имеется еще целый класс сетевых сетевых работ социальной направленности — таких как Second Life либо обучающие программы типа Forterra Olive, — где люди видятся и взаимодействуют в детально проработанной трехмерной виртуальной среде. Novint Falcon — первый трехмерный хептический интерфейс, предложенный на рынке для массового клиента.
Клиент может пробираться по разным виртуальным пространствам, ориентируясь на ощупь. Значительно модернизированный джойстик является послушным органом управления с электромеханической силовой обратной связью. Стоит вам упереться в виртуальную стенку, и данный контакт сходу почувствует ваша рука, а если вы забредете в воду, перемещения станут скованными и медлительными.
Но самая изощренная реализация хептических идей ожидает нас в таких практических сферах, как промышленность, военное дело и медицина. Компания Immersion, лидирующая в разработке практически всех вариантов силовой обратной связи в сотовых телефонах с хептическими функциями, занимается кроме этого созданием разнообразных экзоскелетов, перчаток и т. п., каковые разрешают захватывать виртуальные объекты, вырабатывать их и выполнять с ними разные манипуляции.
В совокупности все эти устройства составляют совокупность CyberForce, где объединяется трехмерное позиционирование руки в виртуальном пространстве с силовой обратной связью по каждому раздельно забранному пальцу. компания и Автомобилестроители Boeing используют подобные устройства в компьютерном проектировании, а армейские желали бы применять их для управления роботами при обезвреживании мин.
Но, пожалуй, самый убедительно хептические разработки выглядят в медицинских устройствах. Компании Immersion и SensAble Technologies разрабатывают пара обучающих устройств — в них врачи, осваивая такие процедуры, как лапароскопия и эндоскопия, смогут надеяться на тактильные ощущения в качестве обратной связи.
Сейчас мы замечаем только начало замечательного течения. Волна инноваций быстро растет. На ее пути только два препятствия — нынешняя мощность и время компьютеров. «Мне думается, что хептика на данный момент приблизительно в том состоянии, в каком был интернет в начале 1990-х, — говорит Том Андерсон, исполнительный директор компании Novint. — До тех пор пока еще мало кто знает, но это из тех направлений, каковые еще при нашей жизни радикально поменяют компьютерную сферу».
Smart screen от компании Nokia
В прототипе интерфейса Nokia Hapticos Web пьезоэлементы, возбуждающие импульсы и вибрации, смонтированы на оборотной стороне сенсорного экрана. Экран может колебаться с амплитудой до 0,1 мм, причем эти перемещения не захватывают корпус устройства. «Преимущество в том, что, приводя в перемещение экран, мы раскачиваем не столь громадную присоединенную массу.
В итоге, расходуя меньше энергии, мы производим более четкие осязательные ощущения», — растолковывает Руп Такала, сотрудник исследовательского центра Nokia в Финляндии. При прикосновении экран приводит к, имитирующие разные этапы нажатия настоящей клавиши, — словно бы она уходит вниз, а после этого возвращается. Новинка покажется на рынке в текущем году.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№67, май 2008).
<
h4>