Cualquier forma de interacción que implique tacto.
Diseño de guante con interfaz táctil de la NASA de 1992
La tecnología háptica (también comunicación kinestésica o tacto 3D ) [1] [2] es una tecnología que puede crear una experiencia táctil mediante la aplicación de fuerzas, vibraciones o movimientos al usuario. [3] Estas tecnologías se pueden utilizar para crear objetos virtuales en una simulación por ordenador , para controlar objetos virtuales y para mejorar el control remoto de máquinas y dispositivos ( telerrobótica ). Los dispositivos hápticos pueden incorporar sensores táctiles que miden las fuerzas ejercidas por el usuario sobre la interfaz. La palabra háptico , del griego : ἁπτικός ( haptikos ), significa "táctil, perteneciente al sentido del tacto". Los dispositivos hápticos simples son comunes en forma de controladores de juegos , joysticks y volantes .
La tecnología háptica facilita la investigación de cómo funciona el sentido del tacto humano al permitir la creación de objetos virtuales hápticos controlados. La mayoría de los investigadores distinguen tres sistemas sensoriales relacionados con el sentido del tacto en los humanos: cutáneo , kinestésico y háptico . [4] [5] [6] Todas las percepciones mediadas por la sensibilidad cutánea y kinestésica se denominan percepción táctil. El sentido del tacto puede clasificarse como pasivo y activo, [7] y el término "háptico" a menudo se asocia con el tacto activo para comunicarse o reconocer objetos. [8]
Historia
Una de las primeras aplicaciones de la tecnología háptica fue en aviones grandes que usan sistemas de servomecanismo para operar las superficies de control. [9] En aviones más ligeros sin sistemas servo , cuando el avión se acercaba a una pérdida , se sentían las vibraciones aerodinámicas en los controles del piloto. Esta era una advertencia útil de una condición de vuelo peligrosa. Los sistemas servo tienden a ser "unidireccionales", lo que significa que las fuerzas externas aplicadas aerodinámicamente a las superficies de control no se perciben en los controles, lo que resulta en la falta de esta importante señal sensorial . Para abordar esto, las fuerzas normales faltantes se simulan con resortes y pesas. Se mide el ángulo de ataque y, a medida que se acerca el punto crítico de pérdida, se activa un vibrador de palanca que simula la respuesta de un sistema de control más simple . Alternativamente, se puede medir la fuerza del servo y dirigir la señal a un sistema servo en el control, también conocido como retroalimentación de fuerza . La retroalimentación de fuerza se ha implementado experimentalmente en algunas excavadoras y es útil cuando se excava material mixto, como rocas grandes incrustadas en limo o arcilla. Permite al operador "sentir" y trabajar alrededor de obstáculos invisibles. [10]
En la década de 1960, Paul Bach-y-Rita desarrolló un sistema de sustitución de la visión utilizando una matriz de 20x20 varillas metálicas que podían elevarse y bajarse, produciendo "puntos" táctiles análogos a los píxeles de una pantalla. Las personas sentadas en una silla equipada con este dispositivo podían identificar imágenes a partir del patrón de puntos que se les clavaban en la espalda. [11]
La primera patente estadounidense para un teléfono táctil fue otorgada a Thomas D. Shannon en 1973. [12] A. Michael Noll construyó un sistema de comunicación táctil hombre-máquina temprano a principios de la década de 1970 en Bell Telephone Laboratories, Inc. [13] y se emitió una patente para su invención en 1975. [14]
Chaleco Aura Interactor
En 1994 se desarrolló el chaleco Aura Interactor . [15] El chaleco es un dispositivo portátil de retroalimentación de fuerza que monitorea una señal de audio y utiliza tecnología de actuador electromagnético para convertir las ondas sonoras graves en vibraciones que pueden representar acciones como un puñetazo o una patada. El chaleco se conecta a la salida de audio de un estéreo, un televisor o un VCR y la señal de audio se reproduce a través de un altavoz integrado en el chaleco.
En 1995, Thomas Massie desarrolló el sistema PHANToM (Personal HAptic iNTerface Mechanism), que utilizaba receptáculos similares a dedales en el extremo de brazos computarizados en los que se podían insertar los dedos de una persona, lo que le permitía "sentir" un objeto en una pantalla de computadora. [16]
En 1995, el noruego Geir Jensen describió un dispositivo háptico en forma de reloj de pulsera con un mecanismo de toque sobre la piel, denominado Tap-in. El reloj de pulsera se conectaría a un teléfono móvil a través de Bluetooth y los patrones de frecuencia de toque permitirían al usuario responder a las personas que llaman con mensajes breves seleccionados. [17]
En 2015 se lanzó el Apple Watch , que utiliza un sensor de contacto con la piel para enviar notificaciones y alertas desde el teléfono móvil del usuario del reloj.
Tipos de detección táctil mecánica
La detección humana de la carga mecánica en la piel se gestiona mediante mecanorreceptores . Hay varios tipos de mecanorreceptores, pero los presentes en la yema del dedo se suelen clasificar en dos categorías: de acción rápida (FA) y de acción lenta (SA). Los mecanorreceptores SA son sensibles a tensiones relativamente grandes y a frecuencias bajas, mientras que los mecanorreceptores FA son sensibles a tensiones más pequeñas a frecuencias más altas. El resultado de esto es que, en general, los sensores SA pueden detectar texturas con amplitudes superiores a 200 micrómetros y los sensores FA pueden detectar texturas con amplitudes inferiores a 200 micrómetros hasta aproximadamente 1 micrómetro, aunque algunas investigaciones sugieren que los FA solo pueden detectar texturas más pequeñas que la longitud de onda de la huella dactilar. [18] Los mecanorreceptores FA logran esta alta resolución de detección al detectar vibraciones producidas por la fricción y una interacción de la textura de la huella dactilar que se mueve sobre una textura de superficie fina. [19]
Implementación
La retroalimentación háptica (a menudo abreviada simplemente como háptica) son vibraciones controladas a frecuencias e intervalos establecidos para proporcionar una sensación representativa de una acción en el juego; esto incluye "golpes", "golpes" y "toques" de la mano o los dedos.
Una de las formas más comunes de retroalimentación háptica en los videojuegos es la vibración del controlador. En 1976, el juego de motos de Sega Moto -Cross , [21] también conocido como Fonz , [22] fue el primer juego en utilizar retroalimentación háptica, lo que hace que el manillar vibre durante una colisión con otro vehículo. [23]
Retroalimentación de fuerza
Los dispositivos de retroalimentación de fuerza utilizan motores para manipular el movimiento de un objeto sostenido por el usuario. [24] Un uso común es en los videojuegos y simuladores de conducción de automóviles, que hacen girar el volante para simular las fuerzas que se experimentan al tomar una curva en un vehículo real. Los volantes de tracción directa , introducidos en 2013, se basan en servomotores y son el tipo de volantes de carreras con retroalimentación de fuerza más avanzado, en cuanto a resistencia y fidelidad.
En 2007, Novint lanzó Falcon , el primer dispositivo táctil 3D para consumidores con retroalimentación de fuerza tridimensional de alta resolución. Esto permitió la simulación háptica de objetos, texturas, retroceso, impulso y la presencia física de objetos en los juegos. [25] [26]
Anillos de vórtice de aire
Los anillos de vórtices de aire son bolsas de aire con forma de rosquilla formadas por ráfagas de aire concentradas. Los vórtices de aire concentrados pueden tener la fuerza necesaria para apagar una vela o mover papeles a unos pocos metros de distancia. Tanto Microsoft Research (AirWave) [27] como Disney Research (AIREAL) [28] han utilizado vórtices de aire para ofrecer retroalimentación háptica sin contacto. [29]
Ultrasonido
Los rayos ultrasónicos focalizados se pueden utilizar para crear una sensación localizada de presión en un dedo sin tocar ningún objeto físico. El punto focal que crea la sensación de presión se genera controlando individualmente la fase y la intensidad de cada transductor en una matriz de transductores ultrasónicos. Estos rayos también se pueden utilizar para proporcionar sensaciones de vibración [30] y para dar a los usuarios la capacidad de sentir objetos virtuales en 3D [31] . El primer dispositivo de ultrasonidos disponible comercialmente fue el Stratos Explore de Ultrahaptics, que constaba de una placa con una matriz de 256 transductores y un controlador de movimiento Leap para el seguimiento de la mano [32].
Otra forma de retroalimentación táctil resulta del tacto activo cuando un humano pasa el dedo sobre una superficie para obtener información sobre su textura. Mediante esta acción se puede obtener una cantidad significativa de información sobre la textura de una superficie a escala micrométrica, ya que las vibraciones resultantes de la fricción y la textura activan los mecanorreceptores de la piel humana. Con este objetivo se pueden hacer vibrar las placas a una frecuencia ultrasónica que reduce la fricción entre la placa y la piel. [33] [34]
Estimulación eléctrica
La estimulación muscular eléctrica (EMS) y la estimulación nerviosa eléctrica transcutánea (TENS) se pueden utilizar para crear sensaciones hápticas en la piel o los músculos. Los ejemplos más notables incluyen trajes hápticos como el traje Tesla [35] , el chaleco háptico Owo [36] y los brazaletes portátiles Valkyrie EIR [37] . Además de mejorar la inmersión, por ejemplo, simulando impactos de bala, se busca que estas tecnologías creen sensaciones similares al peso y la resistencia, y puedan promover el entrenamiento muscular [38] .
Aplicaciones
Control
Telepresencia
La retroalimentación háptica es esencial para realizar tareas complejas a través de la telepresencia . La Shadow Hand , una mano robótica avanzada, tiene un total de 129 sensores táctiles integrados en cada articulación y yema de los dedos que transmiten información al operador. Esto permite realizar tareas como escribir a distancia. [39] Un prototipo temprano se puede ver en la colección de robots humanoides de la NASA , o robonautas . [40]
Teleoperación
Los teleoperadores son herramientas robóticas controladas a distancia. Cuando el operador recibe retroalimentación sobre las fuerzas involucradas, esto se llama teleoperación háptica . Los primeros teleoperadores accionados eléctricamente fueron construidos en la década de 1950 en el Laboratorio Nacional de Argonne por Raymond Goertz para manipular sustancias radiactivas de forma remota. [41] Desde entonces, el uso de retroalimentación de fuerza se ha generalizado en otros tipos de teleoperadores, como los dispositivos de exploración submarina controlados a distancia.
Los dispositivos como los simuladores médicos y los simuladores de vuelo proporcionan idealmente la retroalimentación de fuerza que se sentiría en la vida real. Las fuerzas simuladas se generan utilizando controles de operador hápticos, lo que permite guardar o reproducir datos que representan sensaciones táctiles. [42]
Medicina y odontología
Se están desarrollando interfaces hápticas para simulación médica para la capacitación en procedimientos mínimamente invasivos como la laparoscopia y la radiología intervencionista , [43] [44] y para la capacitación de estudiantes de odontología. [45] Se integró con éxito una espalda háptica virtual (VHB) en el plan de estudios de la Facultad de Medicina Osteopática de la Universidad de Ohio . [46] La tecnología háptica ha permitido el desarrollo de la cirugía de telepresencia , lo que permite a los cirujanos expertos operar a los pacientes a distancia. [47] A medida que el cirujano hace una incisión, siente una retroalimentación táctil y de resistencia como si estuviera trabajando directamente en el paciente. [48]
Automotor
Con la introducción de grandes paneles de control de pantalla táctil en los tableros de instrumentos de los vehículos, se utiliza tecnología de retroalimentación háptica para proporcionar confirmación de comandos táctiles sin necesidad de que el conductor quite la vista de la carretera. [49] Las superficies de contacto adicionales, por ejemplo, el volante o el asiento, también pueden proporcionar información háptica al conductor, por ejemplo, un patrón de vibración de advertencia cuando está cerca de otros vehículos. [50]
Aviación
La retroalimentación de fuerza se puede utilizar para aumentar la adherencia a una envolvente de vuelo segura y, de ese modo, reducir el riesgo de que los pilotos entren en estados peligrosos de vuelo fuera de los límites operativos, manteniendo al mismo tiempo la autoridad final de los pilotos y aumentando su conocimiento de la situación . [51]
Dispositivos electrónicos
Juegos de vídeo
Los paquetes de vibración para controladores, como este Dreamcast Jump Pack, brindan retroalimentación háptica a través de las manos de los usuarios.
La retroalimentación háptica se utiliza habitualmente en los juegos de arcade , especialmente en los videojuegos de carreras . En 1976, el juego de motos Moto-Cross de Sega , [ 21] también conocido como Fonz , [22] fue el primer juego en utilizar la retroalimentación háptica, lo que provocó que el manillar vibrara durante una colisión con otro vehículo. [23] El TX-1 de Tatsumi introdujo la retroalimentación de fuerza en los juegos de conducción de automóviles en 1983. [52] El juego Earthshaker! añadió retroalimentación háptica a una máquina de pinball en 1989.
Los dispositivos hápticos simples son comunes en forma de controladores de juegos , joysticks y volantes. Las primeras implementaciones se proporcionaron a través de componentes opcionales, como el Rumble Pak del controlador de Nintendo 64 en 1997. En el mismo año, Microsoft SideWinder Force Feedback Pro con retroalimentación incorporada fue lanzado por Immersion Corporation . [53] Muchos controladores y joysticks de consola cuentan con dispositivos de retroalimentación incorporados, que son motores con pesos desequilibrados que giran, lo que hace que vibre, incluida la tecnología DualShock de Sony y la tecnología Impulse Trigger de Microsoft . Algunos controladores de volante de automóvil, por ejemplo, están programados para proporcionar una "sensación" de la carretera. A medida que el usuario hace un giro o acelera, el volante responde resistiendo los giros o deslizándose fuera de control.
2014: Un nuevo tipo de almohadilla háptica que responde a las entradas multimedia de LG Electronics. [54]
2015: Las Steam Machines (PC tipo consola) de Valve incluyen un nuevo Steam Controller que utiliza electroimanes ponderados capaces de ofrecer una amplia gama de retroalimentación háptica a través de los trackpads de la unidad. [55] Los sistemas de retroalimentación de estos controladores son configurables por el usuario y brindan una retroalimentación precisa con actuadores de fuerza háptica en ambos lados del controlador. [56]
2018: Razer Nari Ultimate, auriculares para juegos que utilizan un par de controladores hápticos de frecuencia amplia, desarrollados por Lofelt. [60] [61]
2020: Los controladores DualSense de Sony PlayStation 5 admiten la tecnología háptica vibrotáctil proporcionada por actuadores de bobina móvil integrados en las empuñaduras de la palma y la retroalimentación de fuerza para los gatillos adaptativos proporcionada por dos motores rotativos de CC. [62] Los actuadores en la empuñadura de la mano pueden brindar retroalimentación variada e intuitiva sobre las acciones del juego; por ejemplo, en una tormenta de arena, el jugador puede sentir el viento y la arena, y los motores de los gatillos adaptativos admiten experiencias como sacar virtualmente una flecha de un arco. [63]
La retroalimentación háptica táctil es común en los dispositivos celulares . En la mayoría de los casos, esto toma la forma de respuesta de vibración al tacto. Alpine Electronics utiliza una tecnología de retroalimentación háptica llamada PulseTouch en muchas de sus unidades de navegación y estéreo para automóviles con pantalla táctil. [65] El Nexus One cuenta con retroalimentación háptica, según sus especificaciones. [66] Samsung lanzó por primera vez un teléfono con háptica en 2007. [67]
La háptica de superficie se refiere a la producción de fuerzas variables en el dedo de un usuario cuando interactúa con una superficie como una pantalla táctil.
Las introducciones notables incluyen:
Tanvas [68] utiliza una tecnología electrostática [69] para controlar las fuerzas en el plano que experimenta la punta de un dedo, como una función programable del movimiento del dedo. El proyecto TPaD Tablet utiliza una tecnología ultrasónica para modular la aparente resbaladicidad de una pantalla táctil de vidrio. [70]
En 2013, Apple Inc. recibió la patente para un sistema de retroalimentación háptica que es adecuado para superficies multitáctiles. La patente estadounidense de Apple para un "Método y aparato para la localización de la retroalimentación háptica" describe un sistema en el que al menos dos actuadores se colocan debajo de un dispositivo de entrada multitáctil, proporcionando retroalimentación vibratoria cuando un usuario hace contacto con la unidad. [71] Específicamente, la patente prevé que un actuador induzca una vibración de retroalimentación, mientras que al menos otro actuador utiliza sus vibraciones para localizar la experiencia háptica evitando que el primer conjunto de vibraciones se propague a otras áreas del dispositivo. La patente da el ejemplo de un "teclado virtual", sin embargo, también se observa que la invención se puede aplicar a cualquier interfaz multitáctil. [72] Los iPhones (y MacBooks) de Apple que cuentan con el "Taptic Engine", logran sus vibraciones con un actuador resonante lineal (LRA), que mueve una masa de manera recíproca por medio de una bobina de voz magnética , similar a cómo las señales eléctricas de CA se traducen en movimiento en el cono de un altavoz . Los LRA tienen tiempos de respuesta más rápidos que los ERM y, por lo tanto, pueden transmitir imágenes hápticas más precisas. [73]
Realidad virtual
La tecnología háptica está ganando una amplia aceptación como parte clave de los sistemas de realidad virtual , añadiendo el sentido del tacto a interfaces que antes eran sólo visuales. [74] Se están desarrollando sistemas para utilizar interfaces hápticas para el modelado y diseño 3D, incluidos sistemas que permiten ver y sentir los hologramas. [75] [76] [77] Varias empresas están fabricando chalecos hápticos de cuerpo completo o torso o trajes hápticos para usar en realidad virtual inmersiva para permitir a los usuarios sentir explosiones e impactos de bala. [78]
Computadoras personales
En 2015, las MacBook y MacBook Pro de Apple Inc. comenzaron a incorporar un diseño de "panel táctil" con funcionalidad de botones y respuesta háptica incorporada en la superficie de seguimiento. El panel táctil permite una sensación de "flexibilidad" al hacer clic a pesar de que el panel táctil ya no se mueve. [79]
Sustitución sensorial
Sustitución de sonido
En diciembre de 2015, David Eagleman presentó un chaleco portátil que "traduce" el habla y otras señales de audio en series de vibraciones. [80] Esto permitió a las personas con problemas de audición "sentir" sonidos en su cuerpo; desde entonces se ha comercializado como una pulsera. [81]
Pantallas electrónicas táctiles
Una pantalla electrónica táctil es un dispositivo de visualización que muestra texto e información gráfica utilizando el sentido del tacto. Los dispositivos de este tipo se han desarrollado para ayudar a los usuarios ciegos o sordos al ofrecer una alternativa a la sensación visual o auditiva. [82] [83]
Teledildónica
La retroalimentación háptica se utiliza en la teledildónica , o "tecnología sexual", para conectar de forma remota juguetes sexuales y permitir que los usuarios participen en sexo virtual o que un servidor remoto controle su juguete sexual. El término fue acuñado por primera vez por Ted Nelson en 1975, cuando discutía el futuro del amor, la intimidad y la tecnología. [ cita requerida ] En los últimos años, la teledildónica y la tecnología sexual se han expandido para incluir juguetes con una conexión bidireccional que permiten el sexo virtual a través de la comunicación de vibraciones, presiones y sensaciones. Muchos vibradores "inteligentes" permiten una conexión unidireccional, ya sea entre el usuario o una pareja remota, para permitir el control del juguete.
Neurorrehabilitación y equilibrio
En el caso de personas con disfunción motora de las extremidades superiores, se podrían utilizar dispositivos robóticos que utilicen retroalimentación háptica para la neurorrehabilitación. Se han diseñado dispositivos robóticos, como efectores terminales y exoesqueletos con y sin conexión a tierra, para ayudar a restablecer el control sobre varios grupos musculares. La retroalimentación háptica aplicada por estos dispositivos robóticos ayuda a recuperar la función sensorial debido a su naturaleza más inmersiva. [84]
La tecnología háptica también puede proporcionar retroalimentación sensorial para mejorar los deterioros relacionados con la edad en el control del equilibrio [85] y prevenir caídas en personas mayores y con problemas de equilibrio. [86] La vaca y el caballo hápticos se utilizan en la formación veterinaria. [87]
Rompecabezas
Se han ideado rompecabezas hápticos para investigar la exploración, la búsqueda, el aprendizaje y la memoria hápticos orientados a objetivos en entornos 3D complejos. [88] [89] El objetivo es permitir que los robots con múltiples dedos tengan sentido del tacto y obtener más conocimientos sobre el metaaprendizaje humano.
Arte
Las tecnologías hápticas se han explorado en artes virtuales, como la síntesis de sonido o el diseño gráfico , que crean cierta visión y animación sueltas . [90] La tecnología háptica se utilizó para mejorar piezas de arte existentes en la exhibición Tate Sensorium en 2015. [91] En la creación musical, el fabricante sueco de sintetizadores Teenage Engineering introdujo un módulo de subwoofer háptico para su sintetizador OP-Z que permite a los músicos sentir las frecuencias bajas directamente en su instrumento. [92]
Espacio
El uso de tecnologías hápticas puede ser útil en la exploración espacial , incluidas las visitas al planeta Marte , según informes de prensa. [93]
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Lectura adicional
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Enlaces externos
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