Quando se trata de feedback háptico, a maioria das tecnologias se limita a vibrações simples. No entanto, nossa pele está repleta de minúsculos sensores capazes de detectar pressão, vibração, alongamento e muito mais.
Agora, engenheiros da Northwestern University desenvolveram uma nova tecnologia que cria movimentos precisos para imitar essas sensações complexas.
Posicionado sobre a pele, o dispositivo compacto, leve e sem fio aplica força em qualquer direção para gerar uma variedade de sensações, incluindo vibração, alongamento, pressão, deslizamento e torção. Além disso, o dispositivo pode combinar diferentes sensações e operar em velocidades variadas para simular uma percepção tátil mais sutil e realista.
Alimentado por uma pequena bateria recarregável, o dispositivo utiliza Bluetooth para se conectar sem fio a headsets de realidade virtual e smartphones. Além de ser compacto e eficiente, ele pode ser colocado em qualquer parte do corpo, combinado com outros atuadores em matrizes ou integrado a dispositivos vestíveis já existentes.
Os pesquisadores acreditam que, no futuro, essa tecnologia poderá aprimorar experiências virtuais, auxiliar pessoas com deficiência visual na navegação do ambiente, reproduzir a sensação de diferentes texturas em telas planas para compras online, fornecer feedback tátil em consultas médicas remotas e até permitir que pessoas com deficiência auditiva “sintam” a música.
“Quase todos os atuadores hápticos apenas cutucam a pele”, disse John A. Rogers, da Northwestern, que liderou o design do dispositivo. “Mas a pele é sensível a sensações táteis muito mais sofisticadas. Queríamos criar um dispositivo capaz de aplicar forças em qualquer direção — não apenas cutucando, mas também empurrando, torcendo e deslizando. Construímos um atuador minúsculo que pode empurrar a pele em qualquer direção e em qualquer combinação de direções. Com isso, podemos controlar com precisão a sensação complexa do toque de forma totalmente programável.”
Pioneiro em bioeletrônica, Rogers é o Professor Louis A. Simpson e Kimberly Querrey de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Biomédica e Cirurgia Neurológica, com nomeações na Escola de Engenharia McCormick e na Escola de Medicina Feinberg da Universidade Northwestern. Ele também dirige o Instituto Querrey Simpson de Bioeletrônica. Rogers coliderou o trabalho com
Yonggang Huang da Northwestern , o Professor Jan e Marcia Achenbach em Engenharia Mecânica e professor de engenharia civil e ambiental na McCormick. Kyoung-Ho Ha, Jaeyoung Yoo e Shupeng Li da Northwestern são os coautores do estudo.
O estudo se baseia em trabalhos anteriores dos laboratórios de Rogers e Huang, nos quais eles desenvolveram uma matriz programável de minúsculos atuadores vibratórios para transmitir a sensação do toque.
O impasse do háptico
Nos últimos anos, as tecnologias visuais e auditivas passaram por um crescimento explosivo, proporcionando uma imersão sem precedentes através de dispositivos como alto-falantes de som surround de alta fidelidade e óculos de realidade virtual totalmente imersivos. As tecnologias hápticas, no entanto, em grande parte, estagnaram. Mesmo os sistemas mais avançados oferecem apenas padrões de vibração simples.
Essa lacuna no desenvolvimento é em grande parte devido à complexidade extraordinária do toque humano. O sentido do toque envolve diferentes tipos de mecanorreceptores (ou sensores) — cada um com sua própria sensibilidade e características de resposta — localizados a diferentes profundidades na pele. Quando esses mecanorreceptores são estimulados, eles enviam sinais ao cérebro, que os traduz como sensação de toque.
Reproduzir essa sofisticação e nuance exige controle preciso sobre o tipo, magnitude e tempo dos estímulos aplicados à pele. Isso representa um grande desafio, que as tecnologias atuais têm lutado — e falhado — para superar.
“Uma das razões pelas quais a tecnologia háptica fica atrás do vídeo e do áudio em sua riqueza e realismo é que a mecânica da deformação da pele é complicada”, disse J. Edward Colgate, da Northwestern, um pioneiro em háptica e coautor do estudo. “A pele pode ser pressionada para dentro ou esticada para os lados. O estiramento da pele pode acontecer lentamente ou rapidamente, e pode ocorrer em padrões complexos em toda a superfície, como a palma inteira da mão.”
Atuador liberado
Para simular essa complexidade, a equipe da Northwestern desenvolveu o primeiro atuador com total liberdade de movimento. Isso significa que o atuador não está restrito a um único tipo de movimento ou a um conjunto limitado de movimentos. Em vez disso, ele pode se mover e aplicar forças em todas as direções ao longo da pele. Essas forças dinâmicas acionam todos os mecanorreceptores na pele, tanto individualmente quanto em combinação uns com os outros.
“É um grande passo para gerenciar a complexidade do sentido do toque”, disse Colgate, Professor Walter P. Murphy de Engenharia Mecânica da McCormick. “O atuador FOM é o primeiro dispositivo háptico pequeno e compacto que pode cutucar ou esticar a pele, operar lentamente ou rapidamente, e ser usado em matrizes. Como resultado, ele pode ser utilizado para produzir uma gama notável de sensações táteis.”
Medindo apenas alguns milímetros, o dispositivo aproveita um pequeno ímã e um conjunto de bobinas de fio, dispostas em uma configuração de encaixe. Quando a eletricidade passa pelas bobinas, ela gera um campo magnético. Quando esse campo magnético interage com o ímã, ele produz uma força forte o suficiente para mover, empurrar, puxar ou torcer o ímã. Ao combinar atuadores em matrizes, eles podem reproduzir a sensação de beliscar, esticar, apertar e tocar.
“Alcançar tanto um design compacto quanto uma forte saída de força é crucial”, disse Huang, que liderou o trabalho teórico. “Nossa equipe desenvolveu modelos computacionais e analíticos para identificar designs ótimos, garantindo que cada modo gere seu componente de força máximo enquanto minimiza forças ou torques indesejados.”
Trazendo o mundo virtual à vida
Do outro lado do dispositivo, a equipe adicionou um acelerômetro, que permite medir sua orientação no espaço. Com essa informação, o sistema pode fornecer feedback háptico com base no contexto do usuário. Se o atuador estiver em uma mão, por exemplo, o acelerômetro pode detectar se a mão do usuário está voltada para cima ou para baixo. O acelerômetro também pode rastrear o movimento do atuador, fornecendo informações sobre sua velocidade, aceleração e rotação.
Rogers afirmou que essa capacidade de rastreamento de movimento é especialmente útil ao navegar por espaços ou tocar diferentes texturas em uma tela plana.
“Se você passar o dedo por um pedaço de seda, ele terá menos atrito e deslizará mais rápido do que ao tocar veludo ou estopa”, disse ele. “Você pode imaginar fazer compras de roupas ou tecidos online e querer sentir a textura.”
Além de replicar experiências táteis cotidianas, a plataforma também pode transferir informações através da pele. Alterando a frequência, intensidade e ritmo do feedback háptico, a equipe converteu o som da música em toque físico, por exemplo. Eles também conseguiram alterar os tons apenas mudando a direção das vibrações. Sentir essas vibrações permitiu que os usuários diferenciassem vários instrumentos.
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“Fomos capazes de decompor todas as características da música e mapeá-las em sensações hápticas sem perder as informações sutis associadas a instrumentos específicos”, disse Rogers. “Este é apenas um exemplo de como o sentido do toque pode ser usado para complementar outra experiência sensorial. Acreditamos que nosso sistema pode ajudar a fechar ainda mais a lacuna entre os mundos digital e físico. Ao adicionar um verdadeiro senso de toque, as interações digitais podem se tornar mais naturais e envolventes.”
O título do estudo é “Atuadores de plena liberdade de movimento como interfaces hápticas avançadas.”
O estudo será publicado na revista Science.
