Con la piena libertà di movimento, il nuovo dispositivo può generare una varietà di sensazioni, tra cui tiro, allungamento, scorrimento, vibrazioni, pressione e torsione.
Sviluppato un'unica unità in grado di esercitare combinazioni complesse di forze dinamiche, tra cui pressione, taglio, vibrazione, spostamento e coppia, per ottenere il trasferimento di informazioni e sensazioni tattili virtuali realistiche
Un nuovo dispositivo indossabile imita la complessità del tocco umano.
Quando si tratta di feedback tattili, la maggior parte delle tecnologie è limitata a vibrazioni semplici. Ma la nostra pelle è caricata con piccoli sensori che rilevano pressione, vibrazione, allungamento e altro ancora.
Ora, gli ingegneri della Northwestern University hanno svelato, in un articolo pubblicato su Science (1) una nuova tecnologia che crea movimenti precisi per imitare queste sensazioni complesse.
Mentre è attaccato sulla pelle, il dispositivo wireless compatto e leggero applica la forza in qualsiasi direzione per generare una varietà di sensazioni, tra cui vibrazioni, allungamento, pressione, scorrimento e torsione. Il dispositivo può anche combinare sensazioni e operare rapidamente o lentamente per simulare un senso del tatto più sfumato e realistico.
Alimentato da una piccola batteria ricaricabile, il dispositivo utilizza Bluetooth per connettersi in modalità wireless a cuffie e smartphone di realtà virtuale. È anche piccolo ed efficiente, quindi potrebbe essere posizionato ovunque sul corpo, combinato con altri attuatori in array o integrato nell'attuale elettronica indossabile.
I ricercatori prevedono che il loro dispositivo alla fine potrebbe migliorare le esperienze virtuali, aiutare le persone con menomazioni visive a navigare in ciò che li circonda, riprodurre la sensazione di diverse trame su schermi piatti per lo shopping online, fornire feedback tattili per visite di assistenza sanitaria remota e persino consentire alle persone con problemi di udito di “sentire” la musica.
«Quasi tutti gli attuatori tattili colpiscono davvero la pelle», ha dichiarato il dottor John A. Rogers di Northwestern (2), che ha guidato il design del dispositivo. «Ma la pelle è ricettiva a sensi del tatto molto più sofisticati. Volevamo creare un dispositivo in grado di applicare forze in qualsiasi direzione - non solo colpire ma spingere, girare e scorrere. Abbiamo costruito un piccolo attuatore che può spingere la pelle in qualsiasi direzione e in qualsiasi combinazione di direzioni. Con essa, possiamo controllare finemente la complessa sensazione di tocco in un modo completamente progressivo».
Un pioniere in bioelettronica, Rogers è il professore di scienze e ingegneria dei materiali e ingegneria dei materiali di Louis A. Simpson e Kimberly Querrey, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica, con simposi accademici presso la McCormick School of Engineering e la Northwestern University Feinberg School of Medicine. Dirige anche il Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Rogers ha svolto il lavoro con il dottor Yggang Huang (3) di Northwestern, il professore di ingegneria meccanica e professore di ingegneria civile e ambientale. Kyoung-ho Ha HA, Jaeyoung Yoo e Shupeng Li di Northwestern sono gli altri coautori dello studio.
Lo studio si basa su precedenti lavori dei laboratori di Rogers e Huang (4), in cui hanno progettato una serie programmabile di attuatori vibranti in miniatura per trasmettere un senso del tatto.
Il riaggancio tattile
Negli ultimi anni, le tecnologie visive e uditive hanno registrato una crescita esplosiva, offrendo immersione senza precedenti attraverso dispositivi come altoparlanti ad alta fedeltà, profondamente dettagliati e sugli occhiali di realtà virtuale pienamente immersivi. Le tecnologie aptiche, tuttavia, hanno principalmente platea. Anche i sistemi all'avanguardia offrono solo modelli di vibrazioni.
Questo divario di sviluppo deriva in gran parte dalla straordinaria complessità del tocco umano. Il senso del tatto coinvolge diversi tipi di meccanorecettori (o sensori) - ciascuno con la propria sensibilità e caratteristiche di risposta - situate a profondità variabili all'interno della pelle. Quando questi meccanorecettori vengono stimolati, inviano segnali al cervello, che vengono tradotti come tocco.
La replica di quella raffinatezza e sfumatura richiede un controllo preciso sul tipo, la grandezza e i tempi degli stimoli erogati alla pelle. Ciò presenta una sfida massiccia, che le attuali tecnologie hanno lottato - e fallito - per superare.
«Parte del motivo per cui la tecnologia aptica non è totalmente performante è dovuto dal fatto che i meccanismi della deformazione cutanea sono complicati», ha affermato il dottor J. Edward Colgate (5) di Northwestern, pioniere della tecnologia aptica e coautore dello studio. «La pelle può essere colpita o allungata lateralmente. Lo stretching della pelle può avvenire lentamente o rapidamente e può accadere in motivi complessi su una superficie completa, come il palmo pieno della mano».
Attuatore performante
Per simulare quella complessità, il team ha sviluppato il primo attuatore con la piena libertà di movimento (FOM). Ciò significa che l'attuatore non è vincolato a un singolo tipo di movimento o insieme limitato di movimenti. Invece, può muovere e applicare forze in tutte le direzioni lungo la pelle. Queste forze dinamiche coinvolgono tutti i meccanorecettori nella pelle, sia individualmente che in combinazione tra loro.
«È un grande passo verso la gestione della complessità del senso del tatto», ha dichiarato Colgate, professore di ingegneria meccanica di Walter P. Murphy presso McCormick. «L'attuatore FOM è il primo piccolo dispositivo tattile compatto che può colpire o allungare la pelle, funzionare lento o veloce ed essere utilizzato negli array. Di conseguenza, può essere utilizzato per produrre una notevole gamma di sensazioni tattili».
Misurando solo pochi millimetri, il dispositivo sfrutta un piccolo magnete e un set di bobine di filo, disposti in una configurazione di nidificazione. Mentre l'elettricità scorre attraverso le bobine, genera un campo magnetico. Quando quel campo magnetico interagisce con il magnete, produce una forza abbastanza consistente da muoversi, spingere, tirare o ruotare il magnete. Combinando gli attuatori in array, possono riprodurre la sensazione di pizzicare, allungare, spremere e toccare.
«È fondamentale raggiungere sia un design compatto che una forte produzione di forza», ha affermato Huang, che ha guidato il lavoro teorico. «Il nostro team ha sviluppato modelli computazionali e analitici per identificare progetti ottimali, garantendo che ogni modalità genera il suo componente di forza massima minimizzando le forze o le coppie indesiderate».
Dare vita al mondo virtuale
Dall'altro lato del dispositivo, il team ha aggiunto un accelerometro, che gli consente di valutare il suo orientamento nello spazio. Con queste informazioni, il sistema può fornire feedback tattili in base al contesto dell'utente. Se l'attuatore è su una mano, ad esempio, l'accelerometro è in grado di rilevare i movimenti della mano dell'utente. L'acceleratore può anche tracciare il movimento dell'attuatore, fornendo informazioni sulla sua velocità, accelerazione e rotazione.
Il dottor Rogers ha affermato che questa funzionalità di tracciamento del movimento è particolarmente utile quando si lambiscono o si toccano diverse trame su uno schermo piatto. «Se fai scorrere il dito lungo un pezzo di seta, avrà meno attrito e scivolerà più veloce di quando tocchi il velluto a coste o la tela», ha detto. «Puoi immaginare lo shopping per vestiti o tessuti online e voler sentire la consistenza».
Oltre a replicare le esperienze tattili quotidiane, la piattaforma può anche trasferire informazioni attraverso la pelle. Modificando la frequenza, l'intensità e il ritmo del feedback tattile, il team ha convertito il suono della musica in tocco fisico, per esempio. Sono stati anche in grado di modificare i toni semplicemente cambiando la direzione delle vibrazioni. Sentire queste vibrazioni hanno permesso agli utenti di distinguere tra vari strumenti.
«Siamo riusciti ad abbattere tutte le caratteristiche della musica e mapparle in sensazioni tattili senza perdere le sottili informazioni associate a strumenti specifici», ha detto Rogers. «È solo un esempio di come il senso del tatto possa essere usato per integrare un'altra esperienza sensoriale. Pensiamo che il nostro sistema possa aiutare a colmare ulteriormente il divario tra i mondi digitali e fisici. Aggiungendo un vero senso del tatto, le interazioni digitali possono sembrare più naturali e coinvolgenti».
Riferimenti:
(1) Full freedom-of-motion actuators as advanced haptic interfaces
(3) Yggang Huang
(4) ‘Epidermal VR’ gives technology a human touch
Descrizione foto: Con la piena libertà di movimento, il nuovo dispositivo può generare una varietà di sensazioni, tra cui tiro, allungamento, scorrimento, vibrazioni, pressione e torsione. - Credit: John A. Rogers/Northwestern University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Feeling the future: New wearable tech simulates realistic touch