Носимое электротактильное устройство визуализации

Совместная исследовательская группа под руководством Городского университета Гонконга (CityU) разработала носимую систему тактильного рендеринга, которая может имитировать ощущение прикосновения с высоким пространственным разрешением и высокой скоростью отклика.

Команда продемонстрировала свой прикладной потенциал на дисплее Брайля, добавив осязание в метавселенную для таких функций, как покупки и игры в виртуальной реальности, и потенциально облегчив работу космонавтов, глубоководных дайверов и других лиц, которым необходимо носить толстые перчатки.

«Мы можем слышать и видеть наши семьи на большом расстоянии с помощью телефонов и камер, но мы по-прежнему не можем их чувствовать или обнимать. Мы физически изолированы пространством и временем, особенно во время этой затяжной пандемии», — сказал доктор Ян Чжэнбао. Доцент кафедры машиностроения CityU, соруководивший исследованием.

«Несмотря на то, что был достигнут значительный прогресс в разработке датчиков, которые фиксируют тактильные ощущения в цифровом виде с высоким разрешением и высокой чувствительностью , нам все еще не хватает системы, которая могла бы эффективно виртуализировать осязание, которая могла бы записывать и воспроизводить тактильные ощущения в пространстве и времени».

Ограничения существующих методов

Существующие методы воспроизведения тактильных раздражителей можно разделить на две категории: механическая и электрическая стимуляция . Прикладывая локальное механическое усилие или вибрацию к коже, механические приводы могут вызывать стабильные и непрерывные тактильные ощущения. Однако они имеют тенденцию быть громоздкими, что ограничивает пространственное разрешение при интеграции в портативное или носимое устройство.

Напротив, электротактильные стимуляторы, которые вызывают ощущения прикосновения к коже в месте расположения электрода, пропуская локальный электрический ток через кожу, могут быть легкими и гибкими, предлагая более высокое разрешение и более быструю реакцию. Но большинство из них полагаются на импульсы постоянного тока высокого напряжения (до сотен вольт) для проникновения в роговой слой, самый внешний слой кожи, для стимуляции рецепторов и нервов, что представляет угрозу безопасности. Кроме того, необходимо было улучшить тактильное разрешение рендеринга.

Новейший электротактильный привод, разработанный командой, очень тонкий и гибкий, и его можно легко интегрировать в напальчник. Это носимое на кончике пальца устройство может отображать различные тактильные ощущения, такие как давление, вибрация и шероховатость текстуры с высокой точностью. Вместо использования импульсов постоянного тока команда разработала стратегию высокочастотной чередующейся стимуляции и сумела снизить рабочее напряжение ниже 30 В, обеспечив безопасность и удобство тактильной визуализации.

Ученые также предложили новую стратегию сверхвысокого разрешения, которая может воспроизводить тактильные ощущения в местах между физическими электродами, а не только в местах расположения электродов. Это увеличивает пространственное разрешение их стимуляторов более чем в три раза (с 25 до 105 точек), благодаря чему пользователь может ощущать более реалистичное тактильное восприятие.

Тактильные стимулы с высоким пространственным разрешением

«Наша новая система может вызывать тактильные стимулы как с высоким пространственным разрешением (76 точек/см 2 ), аналогичным плотности соответствующих рецепторов в коже человека, так и с высокой скоростью отклика (4 кГц)», — сказал г-н Линь Вейкан, Кандидат наук. студент СитиУ, изготовивший и протестировавший устройство.

Команда провела различные тесты, чтобы показать возможности применения этой новой носимой электротактильной системы рендеринга. Например, они предложили новую стратегию Брайля, которую людям с нарушениями зрения намного легче освоить.

Предлагаемая стратегия разбивает алфавит и числовые цифры на отдельные штрихи и упорядочивает их так же, как они пишутся. Нося новую электротактильную систему рендеринга на кончике пальца, пользователь может распознавать представленный алфавит, чувствуя направление и последовательность штрихов с помощью датчика кончика пальца.

«Это было бы особенно полезно для людей, которые теряют зрение в более позднем возрасте, позволяя им продолжать читать и писать, используя ту же алфавитную систему, к которой они привыкли, без необходимости изучать всю систему точек Брайля», — сказал доктор. Ян.

Включение сенсорного управления в метавселенной

Во-вторых, новая система хорошо подходит для приложений и игр VR/AR, добавляя осязание в метавселенную. Электроды могут быть очень гибкими и масштабируемыми, чтобы покрывать большие площади, например, ладонь. Команда продемонстрировала, что пользователь может виртуально ощущать текстуру одежды в виртуальном магазине модной одежды. Поглаживая, например, мех виртуальной кошки, пользователь может почувствовать разницу в шероховатости, поскольку движения меняют направление и скорость.

Система также может быть полезна для передачи мелких тактильных деталей через толстые перчатки. Команда успешно интегрировала тонкие и легкие электроды системы электротактильного рендеринга в гибкие тактильные датчики на защитной перчатке. Массив тактильных датчиков фиксирует распределение давления на внешней стороне перчатки и передает информацию пользователю в режиме реального времени посредством тактильной стимуляции.

В эксперименте пользователь мог быстро и точно определить местонахождение крошечной стальной шайбы радиусом всего 1 мм и толщиной 0,44 мм на основе тактильной обратной связи от перчатки с датчиками и стимуляторами. Это показывает потенциал системы в обеспечении высокоточного тактильного восприятия, которое в настоящее время недоступно для космонавтов, пожарных, глубоководных дайверов и других лиц, которым необходимо носить толстые защитные костюмы или перчатки.

Дополнительная информация: Вейкан Лин и др., Носимая электротактильная система рендеринга со сверхвысоким разрешением, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abp8738

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com