Cualquier forma de interacción que implique contacto.
La tecnología háptica (también comunicación cinestésica o tacto 3D ) [1] [2] es una tecnología que puede crear una experiencia táctil aplicando fuerzas, vibraciones o movimientos al usuario. [3] Estas tecnologías se pueden utilizar para crear objetos virtuales en una simulación por computadora , controlar objetos virtuales y mejorar el control remoto de máquinas y dispositivos ( telerobótica ). 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: el cutáneo , el cinestésico y el háptico . [4] [5] [6] Todas las percepciones mediadas por la sensibilidad cutánea y cinestésica se denominan percepción táctil. El sentido del tacto puede clasificarse en pasivo y activo, [7] y el término "háptico" se asocia a menudo con el tacto activo para comunicar o reconocer objetos. [8]
Historia
Una de las primeras aplicaciones de la tecnología háptica fue en aviones grandes que utilizan sistemas de servomecanismos para operar superficies de control. [9] En aviones más ligeros sin sistemas servo , a medida que el avión se acercaba a una pérdida , las sacudidas (vibraciones) aerodinámicas se sentían en los controles del piloto. Esta fue una advertencia útil de una condición de vuelo peligrosa. Los servosistemas 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 solucionar este problema, las fuerzas normales que faltan 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 agitador 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 sortear obstáculos invisibles. [10]
En la década de 1960, Paul Bach-y-Rita desarrolló un sistema de sustitución de la visión utilizando una serie de varillas metálicas de 20x20 que podían subirse 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 clavados en sus espaldas. [11]
La primera patente estadounidense para un teléfono táctil fue concedida a Thomas D. Shannon en 1973. [12] A. Michael Noll en Bell Telephone Laboratories, Inc. construyó uno de los primeros sistemas de comunicación táctil hombre-máquina a principios de la década de 1970 [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 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, televisor o videograbadora y la señal de audio se reproduce a través de un altavoz integrado en el chaleco.
Dispositivo Tap-in de Jensen
En 1995, Thomas Massie desarrolló el sistema PHANToM (Mecanismo de interfaz háptica personal). Utilizaba receptáculos parecidos a dedales al final de brazos computarizados en los que se podían insertar los dedos de una persona, permitiéndole "sentir" un objeto en la pantalla de una computadora. [dieciséis]
En 1995, el noruego Geir Jensen describió un dispositivo háptico de reloj de pulsera con un mecanismo de toque en 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 pulsaciones permitirían al usuario responder a las personas que llaman con mensajes cortos seleccionados. [17]
En 2015 se lanzó el Apple Watch . Utiliza la detección de toques en la piel para enviar notificaciones y alertas desde el teléfono móvil del usuario del reloj.
Tipos de detección táctil mecánica
La sensación humana de la carga mecánica en la piel es gestionada por mecanorreceptores . Hay varios tipos de mecanorreceptores, pero los presentes en la yema del dedo normalmente se clasifican en dos categorías. De acción rápida (FA) y de acción lenta (SA). Los mecanorreceptores SA son sensibles a tensiones relativamente grandes y a bajas frecuencias, 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 FA solo puede detectar texturas más pequeñas que la huella digital. longitud de onda. [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 la textura de la superficie fina. [19]
Implementación
Consulte las subsecciones bajo Aplicaciones para ver ejemplos.
Retroalimentación háptica
La retroalimentación háptica (a menudo abreviada simplemente como háptica) son vibraciones controladas en frecuencias e intervalos establecidos para proporcionar una sensación representativa de una acción en el juego; esto incluye "golpes", "golpes" y "golpes" de la mano o los dedos.
La mayoría de los dispositivos electrónicos que ofrecen retroalimentación háptica utilizan vibraciones y la mayoría utiliza un tipo de actuador de masa giratoria excéntrica (ERM), que consiste en un peso desequilibrado unido al eje de un motor. A medida que el eje gira, el giro de esta masa irregular hace que el actuador y el dispositivo adjunto tiemblen. Los actuadores piezoeléctricos también se emplean para producir vibraciones y ofrecen un movimiento aún más preciso que los LRA, con menos ruido y en una plataforma más pequeña, pero requieren voltajes más altos que los ERM y LRA. [20]
Retumbar
Rumble es una forma de hápticos, el rumble simplemente vibra constantemente en varias frecuencias.
Forzar retroalimentación
Los dispositivos de retroalimentación de fuerza utilizan motores para manipular el movimiento de un elemento sostenido por el usuario. [21] Un uso común es en los videojuegos y simuladores de conducción de automóviles, que giran el volante para simular las fuerzas experimentadas al tomar una curva de un vehículo real. Las ruedas de tracción directa , introducidas en 2013, se basan en servomotores y son las ruedas de carreras con retroalimentación de fuerza de más alta gama, por su resistencia y fidelidad.
En 2007, Novint lanzó Falcon , el primer dispositivo táctil 3D de consumo con retroalimentación de fuerza tridimensional de alta resolución. Esto permitió la simulación háptica de objetos, texturas, retroceso, impulso y presencia física de objetos en los juegos. [22] [23]
Anillos de vórtice de aire
Los anillos de vórtice de aire son bolsas de aire en forma de rosquilla formadas por ráfagas de aire concentradas. Los vórtices de aire concentrados pueden tener la fuerza de apagar una vela o mover papeles a unos pocos metros de distancia. Tanto Microsoft Research (AirWave) [24] como Disney Research (AIREAL) [25] han utilizado vórtices de aire para ofrecer retroalimentación háptica sin contacto. [26]
Ultrasonido
Se pueden utilizar haces de ultrasonido enfocados 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 serie de transductores de ultrasonido. Estos haces también se pueden utilizar para generar sensaciones de vibración [27] y para brindar a los usuarios la capacidad de sentir objetos virtuales en 3D. [28] El primer dispositivo de ultrasonido disponible comercialmente fue el Stratos Explore de Ultrahaptics, que constaba de una placa de matriz de 256 transductores y un controlador de movimiento Leap para el seguimiento de las manos [29]
Otra forma de retroalimentación táctil resulta del tacto activo cuando un humano escanea (pasa el dedo sobre una superficie) para obtener información sobre la textura de la superficie. A través de esta acción se puede recopilar una cantidad significativa de información sobre la textura de una superficie en la escala de micrometros, ya que las vibraciones resultantes de la fricción y la textura activan los mecanorreceptores en la piel humana. Para lograr este objetivo, se puede hacer que las placas vibren a una frecuencia ultrasónica que reduce la fricción entre la placa y la piel. [30] [31]
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 , traje Tesla, [32] chaleco háptico Owo [33] y brazaletes portátiles Valkyrie EIR. [34] 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. [35]
Aplicaciones
Automotor
Con la introducción de grandes paneles de control con pantalla táctil en los tableros de los vehículos, se utiliza la tecnología de retroalimentación háptica para proporcionar confirmación de los comandos táctiles sin necesidad de que el conductor aparte la vista de la carretera. [36] Las superficies de contacto adicionales, por ejemplo el volante o el asiento, también pueden proporcionar información táctil al conductor, por ejemplo, un patrón de vibración de advertencia cuando se encuentra cerca de otros vehículos. [37]
Arte
Las tecnologías hápticas se han explorado en las artes virtuales, como la síntesis de sonido o el diseño gráfico , que permiten cierta visión y animación . [38] La tecnología háptica se utilizó para mejorar las obras de arte existentes en la exhibición Tate Sensorium en 2015. [39] 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. [40]
Aviación
La retroalimentación de fuerza se puede utilizar para aumentar el cumplimiento de una envolvente de vuelo segura y así reducir el riesgo de que los pilotos entren en estados peligrosos de vuelos fuera de las fronteras operativas, manteniendo al mismo tiempo la autoridad final de los pilotos y aumentando su conciencia de la situación . [41]
Medicina y odontología
Se están desarrollando interfaces hápticas para simulación médica para la formación en procedimientos mínimamente invasivos como la laparoscopia y la radiología intervencionista , [42] [43] y para la formación de estudiantes de odontología. [44] 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 . [45] La tecnología háptica ha permitido el desarrollo de la cirugía de telepresencia , permitiendo a cirujanos expertos operar a pacientes a distancia. [46] A medida que el cirujano hace una incisión, siente retroalimentación táctil y de resistencia como si estuviera trabajando directamente sobre el paciente. [47]
La tecnología háptica también puede proporcionar retroalimentación sensorial para mejorar las deficiencias relacionadas con la edad en el control del equilibrio [48] y prevenir caídas en personas mayores y con problemas de equilibrio. [49] La vaca y el caballo hápticos se utilizan en la formación veterinaria. [50]
Dispositivos móviles
Vibramotor de LG Optimus L7 II
La retroalimentación táctil táctil es común en los dispositivos celulares . En la mayoría de los casos, esto toma la forma de una respuesta vibratoria al tacto. Alpine Electronics utiliza una tecnología de retroalimentación háptica llamada PulseTouch en muchas de sus unidades estéreo y de navegación para automóviles con pantalla táctil. [51] El Nexus One presenta retroalimentación háptica, según sus especificaciones. [52] Samsung lanzó por primera vez un teléfono con tecnología háptica en 2007. [53]
La háptica de la 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 presentaciones notables incluyen:
Tanvas [54] utiliza una tecnología electrostática [55] para controlar las fuerzas en el plano experimentadas por la yema del dedo, como una función programable del movimiento del dedo. El proyecto TPaD Tablet utiliza una tecnología ultrasónica para modular la aparente resbaladiza de una pantalla táctil de vidrio. [56]
En 2013, Apple Inc. obtuvo la patente de un sistema de retroalimentación háptica adecuado para superficies multitáctiles. La patente estadounidense de Apple para un "Método y aparato para la localización de 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. [57] Específicamente, la patente proporciona un actuador para inducir una vibración de retroalimentación, mientras que al menos otro actuador usa 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 señala que la invención se puede aplicar a cualquier interfaz multitáctil. [58] 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 móvil magnética , similar a cómo funcionan las señales eléctricas de CA. se traducen en movimiento en el cono de un altavoz . Los LRA son capaces de ofrecer tiempos de respuesta más rápidos que los ERM y, por lo tanto, pueden transmitir imágenes hápticas más precisas. [59]
Neurorrehabilitación
Para las 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 finales y exoesqueletos tanto conectados a tierra como no conectados a tierra, para ayudar a restaurar el control sobre varios grupos de músculos. La retroalimentación háptica aplicada por estos dispositivos robóticos ayuda a recuperar la función sensorial debido a su naturaleza más inmersiva. [60]
Rompecabezas
Los rompecabezas hápticos [61] [62] se han ideado para investigar la exploración, la búsqueda, el aprendizaje y la memoria hápticos orientados a objetivos en entornos 3D complejos. El objetivo es habilitar robots con múltiples dedos con sentido del tacto y obtener más información sobre el metaaprendizaje humano.
Computadoras personales
En 2015, las MacBook y MacBook Pro de Apple Inc. comenzaron a incorporar un diseño de "panel táctil táctil" con funcionalidad de botón y retroalimentación háptica incorporada en la superficie de seguimiento. [63]
Robótica
La retroalimentación háptica es esencial para realizar tareas complejas mediante telepresencia . 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. [64] Uno de los primeros prototipos se puede ver en la colección de robots humanoides o robonautas de la NASA . [sesenta y cinco]
sustitución sensorial
En diciembre de 2015, David Eagleman demostró un chaleco portátil que "traduce" el habla y otras señales de audio en series de vibraciones, [66] esto permitió a las personas con discapacidad auditiva "sentir" sonidos en su cuerpo; desde entonces, se ha fabricado comercialmente como una pulsera. . [67]
Espacio
El uso de tecnologías hápticas puede resultar útil en la exploración espacial , incluidas las visitas al planeta Marte , según informes de prensa. [68]
Pantallas electrónicas táctiles
Una pantalla electrónica táctil es un dispositivo de visualización que ofrece texto e información gráfica mediante el sentido del tacto. Se han desarrollado dispositivos de este tipo para ayudar a los usuarios ciegos o sordos proporcionándoles una alternativa a la sensación visual o auditiva. [69] [70]
Teleoperadores y simuladores
Los teleoperadores son herramientas robóticas controladas remotamente. 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. [71] Desde entonces, el uso de la retroalimentación de fuerza se ha generalizado en otros tipos de teleoperadores, como los dispositivos de exploración submarina controlados remotamente.
Lo ideal es que dispositivos como los simuladores médicos y los simuladores de vuelo proporcionen la retroalimentación de fuerza que se sentiría en la vida real. Las fuerzas simuladas se generan mediante controles hápticos del operador, lo que permite guardar o reproducir datos que representan sensaciones táctiles. [72]
Teledildónicos
La retroalimentación háptica se utiliza en teledildonics , o "tecnología sexual", para conectar de forma remota juguetes sexuales y permitir a los usuarios participar en sexo virtual o permitir que un servidor remoto controle su juguete sexual. El término fue acuñado por primera vez por Ted Nelson en 1975, cuando hablaba del futuro del amor, la intimidad y la tecnología. [ cita necesaria ] 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 entre el usuario o un compañero remoto para permitir el control del juguete.
Juegos de vídeo
Los paquetes Rumble para controladores, como este Dreamcast Jump Pack, brindan retroalimentación háptica a través de las manos de los usuarios.
La retroalimentación háptica se utiliza comúnmente en los juegos arcade , especialmente en los videojuegos de carreras . En 1976, el juego de motos de Sega , Moto-Cross , [73] también conocido como Fonz , [74] fue el primer juego en utilizar retroalimentación háptica, lo que hacía que el manillar vibrara durante una colisión con otro vehículo. [75] El TX-1 de Tatsumi introdujo la retroalimentación de fuerza en los juegos de conducción de automóviles en 1983. [76] ¡ 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 Nintendo 64 en 1997. Ese mismo año, Immersion Corporation lanzó Microsoft SideWinder Force Feedback Pro con retroalimentación incorporada . [77] Muchos controladores de consola y joysticks cuentan con dispositivos de retroalimentación incorporados, que son motores con pesos desequilibrados que giran y hacen que vibren, incluida la tecnología DualShock de Sony y la tecnología Impulse Trigger de Microsoft . Por ejemplo, algunos controladores de volante de automóviles están programados para proporcionar una "sensación" de la carretera. Cuando el usuario gira o acelera, el volante responde resistiendo los giros o deslizándose fuera de control.
2014: Un nuevo tipo de cojín háptico que responde a entradas multimedia de LG Electronics. [78]
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. [79] Los sistemas de retroalimentación de estos controladores son configurables por el usuario y brindan retroalimentación precisa con actuadores de fuerza hápticos en ambos lados del controlador. [80]
2018: Razer Nari Ultimate, unos auriculares para juegos que utilizan un par de controladores hápticos de amplia frecuencia, desarrollados por Lofelt. [84] [85]
2020: Los controladores Sony PlayStation 5 DualSense admiten hápticos vibrotáctiles proporcionados por actuadores de bobina móvil integrados en las empuñaduras de la palma y retroalimentación de fuerza para los activadores adaptativos proporcionada por dos motores giratorios de CC. [86] Los actuadores en la empuñadura pueden brindar información variada e intuitiva sobre las acciones del juego; por ejemplo, en una tormenta de arena, puedes sentir el viento y la arena, y los motores de los Adaptive Triggers admiten experiencias como sacar virtualmente una flecha de un arco. [87]
2021, se lanzó SuperTuxKart 1.3, tiene soporte para force feedback. [88] La retroalimentación de fuerza es extremadamente poco común en los juegos de software libre .
Realidad virtual
Los hápticos están 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. [89] Se están desarrollando sistemas para utilizar interfaces hápticas para el modelado y diseño 3D, incluidos sistemas que permiten ver y sentir los hologramas. [90] [91] [92] Varias empresas están fabricando chalecos hápticos o trajes hápticos de cuerpo completo o torso para su uso en realidad virtual inmersiva para permitir a los usuarios sentir explosiones e impactos de bala. [93]
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la tecnología háptica .
