En ce qui concerne la rétroaction haptique, la plupart des technologies se limitent à des vibrations simples. Mais notre peau est chargée de minuscules capteurs qui détectent la pression, les vibrations, les étirements et plus encore.
Maintenant, les ingénieurs de la Northwestern University ont dévoilé une nouvelle technologie qui crée des mouvements précis pour imiter ces sensations complexes.
L'étude sera publiée le 28 mars dans la revue Science.
Tout en étant assis sur la peau, l'appareil compact, léger et sans fil, applique la force dans n'importe quelle direction pour générer une variété de sensations, y compris les vibrations, l'étirement, la pression, le glissement et la torsion. L'appareil peut également combiner des sensations et fonctionner rapidement ou lent pour simuler un sens du toucher plus nuancé et réaliste.
Propulsé par une petite batterie rechargeable, l'appareil utilise Bluetooth pour se connecter sans fil aux casques de réalité virtuelle et aux smartphones. Il est également petit et efficace, il pourrait donc être placé n'importe où sur le corps, combiné avec d'autres actionneurs dans des tableaux ou intégrés dans l'électronique portable actuelle.
Les chercheurs envisagent que leur appareil pourrait éventuellement améliorer les expériences virtuelles, aider les personnes ayant des déficiences visuelles à naviguer dans leur environnement, reproduire le sentiment de différentes textures sur des écrans plats pour les achats en ligne, fournir des commentaires tactiles pour les visites de soins de santé à distance et même permettre aux personnes souffrant de troubles auditifs de « ressentir » de la musique.
« Presque tous les actionneurs haptiques se piquent vraiment sur la peau », a déclaré John A. Rogers de Northwestern, qui a dirigé la conception de l'appareil. « Mais la peau est réceptive à des sens du toucher beaucoup plus sophistiqués. Nous voulions créer un appareil qui pourrait appliquer des forces dans n'importe quelle direction – pas seulement en poussant mais en poussant, en tordant et en glissant. Nous avons construit un minuscule actionneur qui peut pousser la peau dans n'importe quelle direction et dans n'importe quelle combinaison de directions.
Pionnier de la bioélectronique, Rogers est le professeur de science et d'ingénierie de Materials et d'ingénierie, d'ingénierie biomédicale et de chirurgie neurologique de Louis A. Simpson et de Kimberly, avec des rendez-vous à la McCormick School of Engineering et à la Northwest University Feinberg School of Medicine. Il dirige également l'Institut Querrey Simpson pour la bioélectronique. Rogers a co-dirigé les travaux avec Yongang Huang de Northwestern, professeur Jan et Marcia Achenbach en génie mécanique et professeur de génie civil et environnemental chez McCormick. Kyoung-ho ha de Northwestern, Jaeyoung Yoo et Shupeng Li sont les co-prirs de l'étude.
L'étude s'appuie sur les travaux antérieurs des laboratoires de Rogers et de Huang, dans lesquels ils ont conçu un éventail programmable d'actionneurs vibrants miniatures pour transmettre un sentiment de contact.
Le raccrochage haptique
Ces dernières années, les technologies visuelles et auditives ont connu une croissance explosive, offrant une immersion sans précédent à travers des appareils tels que des haut-parleurs à son surround profondément détaillés et des lunettes de réalité virtuelle entièrement immersives. Les technologies haptiques, cependant, ont principalement atteints. Même les systèmes de pointe n'offrent que des modèles de vibrations.
Cet écart de développement découle en grande partie de l'extraordinaire complexité du toucher humain. Le sens du toucher implique différents types de mécanorécepteurs (ou capteurs) – chacun avec ses propres caractéristiques de sensibilité et de réponse – situées à des profondeurs variables dans la peau. Lorsque ces mécanorécepteurs sont stimulés, ils envoient des signaux au cerveau, qui sont traduits par le toucher.
La réplication de cette sophistication et des nuances nécessite un contrôle précis sur le type, l'ampleur et le moment des stimuli délivrés à la peau. Cela présente un défi massif, que les technologies actuelles ont eu du mal – et ont échoué – à surmonter.
« Une partie de la raison pour laquelle la technologie haptique est en retard sur la vidéo et l'audio dans sa richesse et son réalisme est que la mécanique de la déformation cutanée est compliquée », a déclaré J. Edward Colgate de Northwestern, pionnier des haptiques et co-auteur de l'étude. « La peau peut être piquée ou étirée sur le côté. L'étirement de la peau peut se produire lentement ou rapidement, et cela peut se produire en motifs complexes sur une surface complète, comme la paume pleine de la main. »
ACTUATEUR LELLEASHED
Pour simuler cette complexité, l'équipe du Nord-Ouest a développé le premier actionneur avec pleine liberté de mouvement (FOM). Cela signifie que l'actionneur n'est pas limité à un seul type de mouvement ou à un ensemble limité de mouvements. Au lieu de cela, il peut déplacer et appliquer des forces dans toutes les directions le long de la peau. Ces forces dynamiques engagent tous les mécanorécepteurs dans la peau, à la fois individuellement et en combinaison les uns avec les autres.
« C'est un grand pas vers la gestion de la complexité du sentiment de contact », a déclaré Colgate, professeur de génie mécanique de Walter P. Murphy à McCormick. « L'actionneur FOM est le premier petit dispositif haptique compact qui peut piquer ou étirer la peau, fonctionner lentement ou rapide, et être utilisé dans les tableaux. En conséquence, il peut être utilisé pour produire une gamme remarquable de sensations tactiles. »
Mesurant seulement quelques millimètres de taille, l'appareil exploite un minuscule aimant et un ensemble de bobines de fil, disposées en configuration de nidification. Au fur et à mesure que l'électricité traverse les bobines, elle génère un champ magnétique. Lorsque ce champ magnétique interagit avec l'aimant, il produit une force suffisamment forte pour bouger, pousser, tirer ou tordre l'aimant. En combinant des actionneurs en tableaux, ils peuvent reproduire la sensation de pincement, d'étirement, de compression et de tapotement.
« Il est crucial de réaliser une conception compacte et une forte force », a déclaré Huang, qui a dirigé les travaux théoriques. « Notre équipe a développé des modèles de calcul et analytiques pour identifier les conceptions optimales, garantissant que chaque mode génère son composant de force maximale tout en minimisant les forces ou couples indésirables. »
Donner vie au monde virtuel
De l'autre côté de l'appareil, l'équipe a ajouté un accéléromètre, ce qui lui permet d'évaluer son orientation dans l'espace. Avec ces informations, le système peut fournir des commentaires haptiques en fonction du contexte de l'utilisateur. Si l'actionneur est sur une main, par exemple, l'accéléromètre peut détecter si la main de l'utilisateur est la paume vers le haut ou la paume vers le bas. L'accélérateur peut également suivre le mouvement de l'actionneur, fournissant des informations sur sa vitesse, son accélération et sa rotation.
Rogers a déclaré que cette capacité de suivi du mouvement est particulièrement utile lors de la navigation dans les espaces ou de la touche différentes textures sur un écran plat.
« Si vous passez votre doigt le long d'un morceau de soie, il aura moins de friction et glissera plus vite que lorsque vous touchez le velours côtelé ou la toile de jute », a-t-il déclaré. « Vous pouvez imaginer acheter des vêtements ou des tissus en ligne et vouloir ressentir la texture. »
Au-delà de la réplication des expériences tactiles quotidiennes, la plate-forme peut également transférer des informations via la peau. En modifiant la fréquence, l'intensité et le rythme de la rétroaction haptique, l'équipe a converti le son de la musique en toucher physique, par exemple. Ils ont également pu modifier les tons simplement en changeant la direction des vibrations. La sensation de ces vibrations a permis aux utilisateurs de différencier divers instruments.
« Nous avons pu décomposer toutes les caractéristiques de la musique et les cartographier en sensations haptiques sans perdre les informations subtiles associées à des instruments spécifiques », a déclaré Rogers. « Ce n'est qu'un exemple de la façon dont le sentiment de contact pourrait être utilisé pour compléter une autre expérience sensorielle. Nous pensons que notre système pourrait aider à combler davantage l'écart entre les mondes numériques et physiques. En ajoutant un véritable sentiment de contact, les interactions numériques peuvent se sentir plus naturelles et engageantes. »
Le titre de l'étude est « les actionneurs de la liberté de mouvement en tant qu'interfaces haptiques avancées ».
