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Tecnología háptica

Guantes hápticos utilizados con un casco de realidad virtual Diseño de guante con interfaz táctil de la NASA de 1992 La tecnología háptica (también comunicación cinestésica o ta...

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Guantes hápticos utilizados con un casco de realidad virtual
Diseño de guante con interfaz táctil de la NASA de 1992

La tecnología háptica (también comunicación cinestésica o tacto 3D ) [ 1 ] [ 2 ] es una tecnología que puede crear una experiencia táctil al aplicar fuerzas , vibraciones o movimientos al usuario. [ 3 ] Estas tecnologías se pueden usar para sentir objetos y eventos virtuales en una simulación por computadora , 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 antiguo : 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. Las vibraciones y otras señales táctiles también se han convertido en una parte integral de la experiencia del usuario móvil y el diseño de interfaces. [ 4 ] La mayoría de los investigadores distinguen tres sistemas sensoriales relacionados con el sentido del tacto en los humanos: cutáneo , cinestésico y háptico . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Todas las percepciones mediadas por la sensibilidad cutánea y cinestésica se denominan percepción táctil. El sentido del tacto puede clasificarse como pasivo y activo, [ 8 ] y el término "háptico" se asocia a menudo con el tacto activo para comunicar o reconocer objetos. [ 9 ]

Historia

Una de las primeras aplicaciones de la tecnología háptica se dio en aeronaves grandes que utilizan sistemas de servomecanismos para operar las superficies de control. [ 10 ] En aeronaves más ligeras sin sistemas de servo , a medida que la aeronave se acercaba a una pérdida , el turbulencia aerodinámica (vibraciones) se sentía en los controles del piloto. Esto era una advertencia útil de una condición de vuelo peligrosa. Los sistemas de 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 pesos. 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 de 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. [ 11 ]

En la década de 1960, Paul Bach-y-Rita desarrolló un sistema de sustitución visual que utilizaba una matriz de 20x20 varillas metálicas 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 que se les clavaban en la espalda. [ 12 ]

La primera patente estadounidense para un teléfono táctil fue otorgada a Thomas D. Shannon en 1973. [ 13 ] Un sistema de comunicación táctil hombre-máquina fue construido por A. Michael Noll en Bell Telephone Laboratories, Inc. a principios de la década de 1970 [ 14 ] y se emitió una patente para su invención en 1975. [ 15 ]

Una foto de un chaleco Aura Interactor
chaleco Aura Interactor

En 1994, se desarrolló el chaleco Aura Interactor . [ 16 ] Este chaleco es un dispositivo portátil de retroalimentación de fuerza que monitorea una señal de audio y utiliza tecnología de actuadores electromagnéticos 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 equipo de música, televisor o videograbadora , 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). Este sistema utilizaba receptáculos con forma de dedal en el extremo de brazos computarizados en los que se podían insertar los dedos de una persona, permitiéndole "sentir" un objeto en la pantalla de una computadora. [ 17 ]

En 1995, el noruego Geir Jensen describió un dispositivo háptico de pulsera con un mecanismo de toque en la piel, denominado Tap-in. El reloj se conectaría a un teléfono móvil mediante Bluetooth , y los patrones de frecuencia de toque permitirían al usuario responder a las llamadas con mensajes cortos seleccionados. [ 18 ]

En 2015 se lanzó el Apple Watch . Este dispositivo utiliza sensores de contacto con la piel para mostrar notificaciones y alertas del teléfono móvil del usuario.

Tipos de detección táctil mecánica

La percepción humana de la carga mecánica en la piel está controlada por mecanorreceptores . Existen varios tipos de mecanorreceptores, pero los presentes en la yema del dedo se clasifican generalmente 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 menores a frecuencias más altas. Como resultado, los sensores SA generalmente pueden detectar texturas con amplitudes mayores de 200 micrómetros, y los sensores FA pueden detectar texturas con amplitudes menores de 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. [ 19 ] Los mecanorreceptores FA logran esta alta resolución de detección al percibir las vibraciones producidas por la fricción y la interacción de la textura de la huella dactilar al moverse sobre una textura superficial fina. [ 20 ]

Implementación

La retroalimentación háptica (a menudo abreviada como simplemente háptica) consiste en vibraciones controladas a frecuencias e intervalos determinados para proporcionar una sensación representativa de una acción dentro del juego; esto incluye "golpes", "golpes" y "toques" en la mano o los dedos.

La mayoría de los dispositivos electrónicos que ofrecen retroalimentación háptica utilizan vibraciones, y la mayoría emplea un 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 provoca que el actuador y el dispositivo conectado vibren. También se emplean actuadores piezoeléctricos para producir vibraciones, y ofrecen un movimiento aún más preciso que los actuadores de anillo largo (LRA), con menos ruido y en una plataforma más pequeña, pero requieren voltajes más altos que los ERM y los LRA. [ 21 ]

Vibración del mando

Una de las formas más comunes de retroalimentación háptica en los videojuegos es la vibración del mando. En 1976, el juego de motos Moto-Cross de Sega , [ 22 ] también conocido como Fonz , [ 23 ] fue el primer juego en utilizar retroalimentación háptica, haciendo vibrar el manillar durante una colisión con otro vehículo. [ 24 ]

Retroalimentación de fuerza

Los dispositivos de retroalimentación de fuerza utilizan motores para manipular el movimiento de un objeto sostenido por el usuario. [ 25 ] Un uso común se encuentra en videojuegos y simuladores de conducción de automóviles, donde el volante gira para simular las fuerzas experimentadas al tomar una curva con un vehículo real. Los volantes de transmisión directa , introducidos en 2013, se basan en servomotores y representan el tipo de volantes de carreras con retroalimentación de fuerza de gama más alta en cuanto a resistencia y fidelidad.

En 2007, Novint lanzó Falcon , un dispositivo táctil 3D para el consumidor con retroalimentación háptica 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. [ 26 ] [ 27 ]

Anillos de vórtice de aire

Los anillos de vórtice 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 suficiente para apagar una vela o mover papeles a pocos metros de distancia. Tanto Microsoft Research (AirWave) [ 28 ] como Disney Research (AIREAL) [ 29 ] han utilizado vórtices de aire para proporcionar retroalimentación háptica sin contacto. [ 30 ]

Ultrasonido

Los haces de ultrasonido focalizados pueden utilizarse para crear una sensación de presión localizada 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 de ultrasonido. Estos haces también pueden utilizarse para proporcionar sensaciones de vibración [ 31 ] y para que los usuarios puedan sentir objetos virtuales en 3D [ 32 ] . El primer dispositivo de ultrasonido disponible comercialmente fue el Stratos Explore de Ultrahaptics, que consistía en una placa con una matriz de 256 transductores y un controlador Leap Motion para el seguimiento de la mano [ 33 ].

Otra forma de retroalimentación táctil se produce mediante el tacto activo, cuando una persona escanea (desliza el dedo sobre una superficie) para obtener información sobre su textura. Mediante esta acción se puede recopilar 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. Con este fin, se pueden fabricar placas que vibren a una frecuencia ultrasónica, lo que reduce la fricción entre la placa y la piel. [ 34 ] [ 35 ]

Estimulación eléctrica

La estimulación muscular eléctrica (EMS) y la estimulación nerviosa eléctrica transcutánea (TENS) pueden utilizarse para generar sensaciones hápticas en la piel o los músculos. Algunos ejemplos notables incluyen trajes hápticos como el traje Tesla [ 36 ] y el chaleco háptico Owo [ 37 ] , así como los brazaletes portátiles de Valkyrie EIR [ 38 ] . Además de mejorar la inmersión, por ejemplo, simulando impactos de bala, se busca que estas tecnologías generen sensaciones similares al peso y la resistencia, y pueden promover el entrenamiento muscular [ 39 ] .

Aplicaciones

Control

Telepresencia

La retroalimentación háptica es esencial para realizar tareas complejas mediante telepresencia . La Shadow Hand , una mano robótica avanzada, cuenta con 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. [ 40 ] Un prototipo inicial puede verse en la colección de robots humanoides de la NASA , o robonautas . [ 41 ]

Teleoperación

Los teleoperadores son herramientas robóticas controladas a distancia. Cuando el operador recibe información sobre las fuerzas implicadas, se habla de teleoperación háptica . Los primeros teleoperadores accionados eléctricamente fueron construidos en la década de 1950 en el Laboratorio Nacional Argonne por Raymond Goertz para manipular sustancias radiactivas a distancia. [ 42 ] Desde entonces, el uso de la 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 mediante controles hápticos del operador, lo que permite guardar o reproducir datos que representan las sensaciones táctiles. [ 43 ]

Medicina y odontología

Se están desarrollando interfaces hápticas para simulación médica para el entrenamiento en procedimientos mínimamente invasivos como la laparoscopia y la radiología intervencionista , [ 44 ] [ 45 ] y para el entrenamiento de estudiantes de odontología. [ 46 ] Una espalda háptica virtual (VHB) se integró con éxito en el plan de estudios de la Facultad de Medicina Osteopática de la Universidad de Ohio . [ 47 ] La ​​tecnología háptica ha permitido el desarrollo de la cirugía por telepresencia , lo que permite a cirujanos expertos operar a pacientes a distancia. [ 48 ] Mientras el cirujano realiza una incisión, siente retroalimentación táctil y de resistencia como si trabajara directamente sobre el paciente. [ 49 ]

Automotor

Con la introducción de grandes paneles de control táctiles en los salpicaderos de los vehículos, se utiliza la tecnología de retroalimentación háptica para confirmar los comandos táctiles sin que el conductor tenga que apartar la vista de la carretera. [ 50 ] Otras superficies de contacto, como el volante o el asiento, también pueden proporcionar información háptica al conductor, por ejemplo, un patrón de vibración de advertencia al acercarse a otros vehículos. [ 51 ]

Aviación

La retroalimentación de fuerza puede utilizarse para aumentar la adherencia a una envolvente de vuelo segura y, por lo tanto, reducir el riesgo de que los pilotos entren en estados de vuelo peligrosos fuera de los límites operacionales, manteniendo al mismo tiempo la autoridad final de los pilotos y aumentando su conocimiento de la situación . [ 52 ]

Dispositivos electrónicos

Juegos de vídeo

Los paquetes de vibración para mandos, como este Dreamcast Jump Pack, proporcionan retroalimentación háptica a través de las manos del usuario.

La retroalimentación háptica se usa comúnmente en juegos arcade , especialmente en videojuegos de carreras . En 1976, el juego de motos Moto-Cross de Sega , [ 22 ] también conocido como Fonz , [ 23 ] fue el primer juego en usar retroalimentación háptica, haciendo vibrar el manillar durante una colisión con otro vehículo. [ 24 ] TX-1 de Tatsumi introdujo la retroalimentación de fuerza en los juegos de conducción de coches en 1983. [ 53 ] 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. Ese mismo año, Immersion Corporation lanzó el Microsoft SideWinder Force Feedback Pro con retroalimentación integrada . [ 54 ] Muchos controladores de consola y joysticks cuentan con dispositivos de retroalimentación integrados, que son motores con pesos desequilibrados que giran, provocando que vibren, incluyendo la tecnología DualShock de Sony y la tecnología Impulse Trigger de Microsoft . Algunos controladores de volante de automóviles, por ejemplo, están programados para proporcionar una "sensación" de la carretera. Cuando el usuario hace un giro o acelera, el volante responde resistiendo los giros o deslizándose fuera de control.

Entre las presentaciones más destacadas se incluyen:

dispositivos móviles

Vibramotor de LG Optimus L7 II

La retroalimentación háptica táctil es común en los dispositivos celulares . En la mayoría de los casos, se manifiesta como una respuesta vibratoria al tacto. Alpine Electronics utiliza una tecnología de retroalimentación háptica llamada PulseTouch en muchos de sus sistemas de navegación y estéreo para automóviles con pantalla táctil. [ 65 ] El Nexus One cuenta con retroalimentación háptica, según sus especificaciones. [ 66 ] Samsung lanzó el primer teléfono con tecnología háptica en 2007. [ 67 ]

La retroalimentación háptica de superficie se refiere a la producción de fuerzas variables en el dedo del usuario al interactuar con una superficie, como una pantalla táctil.

Entre las presentaciones más destacadas se incluyen:

  • Tanvas [ 68 ] utiliza una tecnología electrostática [ 69 ] para controlar las fuerzas en el plano que experimenta la yema del dedo, como una función programable del movimiento del dedo. El proyecto de tableta TPaD utiliza una tecnología ultrasónica para modular el deslizamiento aparente de una pantalla táctil de vidrio. [ 70 ]
  • En 2013, Apple Inc. obtuvo la patente de un sistema de retroalimentación háptica apto para superficies multitáctiles. La patente estadounidense de Apple, titulada «Método y aparato para la localización de la retroalimentación háptica», describe un sistema en el que al menos dos actuadores se ubican debajo de un dispositivo de entrada multitáctil, proporcionando retroalimentación vibratoria cuando el usuario entra en 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, impidiendo que el primer conjunto de vibraciones se propague a otras áreas del dispositivo. La patente menciona como ejemplo un «teclado virtual», pero también señala que la invención puede aplicarse a cualquier interfaz multitáctil. [ 72 ] Los iPhones (y MacBooks ) de Apple que incorporan el "Taptic Engine" logran sus vibraciones mediante un actuador resonante lineal (LRA), que mueve una masa de forma recíproca a través de una bobina móvil magnética , de manera similar a como 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. [ 73 ]

Realidad virtual

La tecnología háptica está ganando amplia aceptación como parte fundamental de los sistemas de realidad virtual , añadiendo el sentido del tacto a interfaces que antes eran exclusivamente visuales. [ 74 ] Se están desarrollando sistemas para utilizar interfaces hápticas en el modelado y diseño 3D, incluyendo sistemas que permiten ver y sentir hologramas. [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] Varias empresas están fabricando chalecos o trajes hápticos de cuerpo completo o torso para su uso en realidad virtual inmersiva, permitiendo a los usuarios sentir explosiones e impactos de balas. [ 78 ]

Ordenadores personales

En 2015, los MacBook y MacBook Pro de Apple Inc. comenzaron a incorporar un diseño de "panel táctil táctil" con funcionalidad de botones y retroalimentación háptica integradas en la superficie de seguimiento. El panel táctil táctil permite una sensación de "cedencia" 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 demostró un chaleco portátil que "traduce" el habla y otras señales de audio en series de vibraciones. [ 80 ] Esto permitió a las personas con discapacidad auditiva "sentir" los 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 proporciona texto e información gráfica mediante el sentido del tacto. Se han desarrollado dispositivos de este tipo para ayudar a usuarios ciegos o sordos, ofreciéndoles una alternativa a la percepción visual o auditiva. [ 82 ] [ 83 ]

Teledildónica

La retroalimentación háptica se utiliza en la teledildónica , o «tecnología sexual», para conectar juguetes sexuales de forma remota y permitir a los usuarios practicar sexo virtual o que un servidor remoto controle su juguete sexual. El término fue acuñado por primera vez por Ted Nelson en 1975, al hablar sobre el futuro del amor, la intimidad y la tecnología. En los últimos años, la teledildónica y la tecnología sexual se han expandido para incluir juguetes con conexión bidireccional que permiten el sexo virtual mediante la comunicación de vibraciones, presiones y sensaciones. Muchos vibradores «inteligentes» permiten una conexión unidireccional, ya sea entre el usuario o una pareja remota, para controlar el juguete.

Neurorrehabilitación y equilibrio

Para personas con disfunción motora de las extremidades superiores, los dispositivos robóticos que utilizan retroalimentación háptica podrían emplearse para la neurorrehabilitación. Se han diseñado dispositivos robóticos, como efectores finales y exoesqueletos tanto fijos como móviles, para ayudar a restaurar el control de varios grupos musculares. La retroalimentación háptica aplicada por estos dispositivos robóticos contribuye a la recuperación de la función sensorial debido a su naturaleza más inmersiva. [ 84 ]

La tecnología háptica también puede proporcionar retroalimentación sensorial para mejorar las deficiencias relacionadas con la edad en el control del equilibrio [ 85 ] y prevenir caídas en ancianos y personas con problemas de equilibrio. [ 86 ] Las vacas y caballos hápticos se utilizan en la formación veterinaria. [ 87 ]

Rompecabezas

Se han diseñado rompecabezas hápticos para investigar la exploración, búsqueda, aprendizaje y memoria hápticos orientados a objetivos en entornos 3D complejos. [ 88 ] [ 89 ] El objetivo es dotar a los robots multifinger de sentido del tacto y obtener una mayor comprensión del metaaprendizaje humano.

Arte

Las tecnologías hápticas se han explorado en artes virtuales, como la síntesis de sonido o el diseño gráfico , que crean algunas imágenes y animaciones sueltas . [ 90 ] La tecnología háptica se utilizó para mejorar piezas de arte existentes en la exposición 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 graves directamente en su instrumento. [ 92 ]

Espacio

Según informes de prensa, el uso de tecnologías hápticas podría ser útil en la exploración espacial , incluyendo visitas al planeta Marte . [ 93 ]

Véase también

Referencias

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  • Tecnología háptica en HowStuffWorks
  • ¿Cuál es la mejor frecuencia de vibración para la retroalimentación háptica? Archivado el 26/09/2021 en Wayback Machine.
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