Cách hoạt động của công nghệ Haptic

Nếu bạn nghĩ rằng chiếc iPhone của Apple thật tuyệt vời, thì hãy thưởng thức đôi mắt - và ngón tay của bạn - trên chiếc điện thoại này của Samsung. Được mệnh danh là Anycall Haptic, điện thoại có màn hình cảm ứng lớn giống như iPhone. Nhưng nó mang lại một tiện ích mang tính cách mạng của Apple tốt hơn, ít nhất là ở thời điểm hiện tại: Nó cho phép người dùng cảm nhận được các cú nhấp chuột, rung động và các đầu vào xúc giác khác. Nhìn chung, nó cung cấp cho người dùng 22 loại cảm giác chạm.

Những cảm giác đó giải thích việc sử dụng thuật ngữ xúc giác trong tên. Haptic là từ tiếng Hy Lạp "haptesthai," có nghĩa là chạm vào. Là một tính từ, nó có nghĩa là liên quan đến hoặc dựa trên xúc giác. Là một danh từ, thường được dùng ở dạng số nhiều (haptics), nó có nghĩa là khoa học và sinh lý học của xúc giác. Các nhà khoa học đã nghiên cứu về xúc giác trong nhiều thập kỷ và họ biết khá nhiều về sinh học của xúc giác. Ví dụ, họ biết loại thụ thể nào trên da và cách các dây thần kinh vận chuyển thông tin qua lại giữa hệ thần kinh trung ương và điểm tiếp xúc.

Thật không may, các nhà khoa học máy tính đã gặp khó khăn lớn trong việc chuyển những hiểu biết cơ bản về cảm ứng này vào hệ thống thực tế ảo của họ . Các tín hiệu về thị giác và thính giác dễ dàng sao chép trong các mô hình do máy tính tạo ra, nhưng các tín hiệu về xúc giác thì có nhiều vấn đề hơn. Hầu như không thể cho phép người dùng cảm nhận được điều gì đó đang xảy ra trong tâm trí máy tính thông qua một giao diện điển hình. Chắc chắn, bàn phím cho phép người dùng nhập từ và cần điều khiển và vô lăng có thể rung. Nhưng làm thế nào người dùng có thể chạm vào những gì bên trong thế giới ảo? Chẳng hạn, làm thế nào để một người chơi trò chơi điện tử có thể cảm nhận được chất thép cứng và lạnh của vũ khí của nhân vật của họ? Làm thế nào một phi hành gia, đang đào tạo trong một máy tính giả lập, có thể cảm nhận được trọng lượng và kết cấu thô ráp của một tảng đá mặt trăng ảo?

Kể từ những năm 1980, các nhà khoa học máy tính đã cố gắng trả lời những câu hỏi này. Lĩnh vực của họ là một tập hợp con chuyên biệt của haptics được gọi là haptics máy tính . Trong vài trang tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày cách hoạt động của công nghệ xúc giác bằng cách:

Tất nhiên, tương lai đầy hứa hẹn của haptics phụ thuộc rất nhiều vào lịch sử của nó. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét lịch sử này để hiểu rằng haptics máy tính nằm trong một quá trình nghiên cứu haptics liên tục.

1. Haptics Continuum
2. Các loại phản hồi xúc giác
3. Hệ thống Haptic
4. Các ứng dụng của công nghệ Haptic
5. Tầm quan trọng của công nghệ Haptic

Là một lĩnh vực nghiên cứu, haptics đã song hành chặt chẽ với sự phát triển và phát triển của tự động hóa. Trước cuộc cách mạng công nghiệp, các nhà khoa học tập trung vào việc các sinh vật sống trải qua cảm ứng như thế nào. Các nhà sinh học học được rằng ngay cả những sinh vật đơn giản, chẳng hạn như sứa và sâu, cũng có phản ứng chạm tinh vi. Vào đầu thế kỷ 20, các nhà tâm lý học và nhà nghiên cứu y học đã tích cực nghiên cứu cách con người trải nghiệm cảm giác chạm vào. Một cách gần đúng như vậy, ngành khoa học này được biết đến với cái tên xúc giác của con người , và nó tiết lộ rằng bàn tay con người, cấu trúc cơ bản liên quan đến xúc giác, cực kỳ phức tạp.

Với 27 xương và 40 cơ, bao gồm cả các cơ nằm ở cẳng tay, bàn tay mang lại sự khéo léo vô cùng. Các nhà khoa học định lượng sự khéo léo này bằng cách sử dụng một khái niệm được gọi là bậc tự do . Một mức độ tự do là chuyển động được tạo ra bởi một khớp duy nhất. Vì bàn tay con người có 22 khớp nên nó cho phép chuyển động với 22 bậc tự do. Da bao phủ bàn tay cũng chứa nhiều thụ thể và dây thần kinh, các thành phần của hệ thần kinh truyền cảm giác chạm tới não và tủy sống.

Sau đó là sự phát triển của máy móc và robot. Các thiết bị cơ học này cũng phải tiếp xúc và cảm nhận môi trường của chúng, vì vậy các nhà nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu cách thức truyền cảm giác này sang máy móc. Kỷ nguyên của máy móc đã bắt đầu. Các máy đầu tiên cho phép tương tác xúc giác với các vật thể ở xa là những chiếc kẹp kích hoạt bằng đòn bẩy và dây cáp đơn giản được đặt ở cuối cột. Bằng cách di chuyển, định hướng và bóp báng súng lục, một công nhân có thể điều khiển từ xa những chiếc kẹp dùng để gắp, di chuyển và thao tác một vật thể.

Vào những năm 1940, các hệ thống thao tác từ xa tương đối thô sơ này đã được cải tiến để phục vụ cho các ngành công nghiệp vật liệu nguy hiểm và hạt nhân. Thông qua giao diện máy móc, công nhân có thể thao tác với các chất độc hại và nguy hiểm mà không gặp rủi ro khi tiếp xúc. Cuối cùng, các nhà khoa học đã phát triển các thiết kế thay thế các kết nối cơ học bằng động cơ và tín hiệu điện tử. Điều này giúp bạn có thể giao tiếp ngay cả những thao tác tay tinh tế với người điều khiển từ xa một cách hiệu quả hơn bao giờ hết.

Sự tiến bộ lớn tiếp theo đến với hình thức máy tính điện tử. Lúc đầu, máy tính được sử dụng để điều khiển máy móc trong môi trường thực (hãy nghĩ đến máy tính điều khiển một robot nhà máy trong nhà máy lắp ráp ô tô). Nhưng đến những năm 1980, máy tính có thể tạo ra môi trường ảo - thế giới 3-D mà người dùng có thể được truyền vào đó. Trong những môi trường ảo ban đầu này, người dùng chỉ có thể nhận được kích thích thông qua thị giác và âm thanh. Tương tác xúc giác với các đối tượng mô phỏng sẽ vẫn bị hạn chế trong nhiều năm.

Sau đó, vào năm 1993, Phòng thí nghiệm Trí tuệ Nhân tạo tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã chế tạo một thiết bị phát ra kích thích xúc giác, cuối cùng giúp chúng ta có thể chạm và cảm nhận một vật thể do máy tính tạo ra. Các nhà khoa học làm việc trong dự án bắt đầu mô tả lĩnh vực nghiên cứu của họ là kỹ thuật haptics của máy tính để phân biệt nó với haptics của máy móc và con người. Ngày nay, haptics máy tính được định nghĩa là hệ thống cần thiết - cả phần cứng và phần mềm - để hiển thị cảm giác và cảm giác của các đối tượng ảo. Đây là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng mang lại một số công nghệ xúc giác đầy hứa hẹn.

Trước khi xem xét chi tiết hơn một số công nghệ này, chúng ta hãy xem xét các loại cảm giác chạm mà một hệ thống xúc giác phải cung cấp để thành công.

Khi chúng ta sử dụng tay để khám phá thế giới xung quanh, chúng ta sẽ nhận được hai loại phản hồi - động học và xúc giác . Để hiểu sự khác biệt giữa hai loại, hãy xem xét một bàn tay với, nhấc và khám phá một quả bóng chày . Khi bàn tay chạm tới quả bóng và điều chỉnh hình dạng của nó để nắm bắt, một tập hợp các điểm dữ liệu duy nhất mô tả góc khớp, chiều dài cơ và lực căng sẽ được tạo ra. Thông tin này được thu thập bởi một nhóm thụ thể chuyên biệt có trong cơ, gân và khớp.

Được gọi là thụ thể, những thụ thể này mang tín hiệu đến não, nơi chúng được xử lý bởi vùng cảm âm của vỏ não. Trục cơ là một loại proprioceptor cung cấp thông tin về những thay đổi trong chiều dài của cơ. Cơ quan gân Golgi là một loại proprioceptor khác cung cấp thông tin về những thay đổi trong tình trạng căng cơ. Bộ não xử lý thông tin động học này để cung cấp cảm giác về kích thước và hình dạng thô của quả bóng chày, cũng như vị trí của nó so với bàn tay, cánh tay và cơ thể.

Khi các ngón tay chạm vào bóng, sự tiếp xúc sẽ được tạo ra giữa miếng đệm ngón tay và bề mặt bóng. Mỗi đệm ngón tay là một cấu trúc cảm giác phức tạp có chứa các thụ thể cả ở da và mô bên dưới. Có nhiều loại thụ thể này, mỗi loại ứng với một loại kích thích: chạm nhẹ, chạm mạnh, áp lực, rung và đau. Dữ liệu được tổng hợp từ các cơ quan thụ cảm này giúp não bộ hiểu được các chi tiết xúc giác tinh tế về quả bóng. Khi các ngón tay khám phá, họ sẽ cảm nhận được kết cấu mịn hơn của da, độ thô của dây buộc và độ cứng của quả bóng khi có lực tác dụng. Ngay cả các đặc tính nhiệt của quả bóng cũng được cảm nhận thông qua các thụ thể xúc giác.

­

Phản hồi lực là một thuật ngữ thường được sử dụng để mô tả phản hồi xúc giác và / hoặc động học. Như ví dụ về bóng chày của chúng tôi minh họa, phản hồi lực rất phức tạp. Tuy nhiên, nếu một người cảm thấy một vật thể ảo với bất kỳ độ trung thực nào, thì phản hồi cưỡng bức chính xác là loại thông tin mà người đó phải nhận được. Các nhà khoa học máy tính bắt đầu làm việc trên các thiết bị - thiết bị giao diện xúc giác - cho phép người dùng cảm nhận các vật thể ảo thông qua phản hồi lực. Những nỗ lực ban đầu đã không thành công. Nhưng như chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo, một thế hệ thiết bị giao diện xúc giác mới đang mang lại mức hiệu suất vượt trội, độ trung thực và dễ sử dụng.

Có một số cách tiếp cận để tạo hệ thống xúc giác. Mặc dù trông chúng có thể khác nhau đáng kể, nhưng chúng đều có hai điểm chung quan trọng - phần mềm để xác định các lực phát sinh khi danh tính ảo của người dùng tương tác với một đối tượng và một thiết bị mà thông qua đó các lực đó có thể được áp dụng cho người dùng. Quá trình thực tế được phần mềm sử dụng để thực hiện các phép tính của nó được gọi là kết xuất xúc giác . Một phương pháp dựng hình phổ biến sử dụng các mô hình đa diện để biểu diễn các đối tượng trong thế giới ảo. Các mô hình 3-D này có thể khắc họa chính xác nhiều hình dạng khác nhau và có thể tính toán dữ liệu cảm ứng bằng cách đánh giá cách các đường lực tương tác với các mặt khác nhau của vật thể. Các vật thể 3-D như vậy có thể được tạo ra để tạo cảm giác chắc chắn và có thể có kết cấu bề mặt.

Công việc truyền tải hình ảnh xúc giác đến người dùng thuộc về thiết bị giao diện. Theo nhiều khía cạnh, thiết bị giao diện tương tự như chuột, ngoại trừ chuột là thiết bị thụ động không thể giao tiếp bất kỳ dữ liệu xúc giác tổng hợp nào cho người dùng. Hãy cùng xem xét một vài hệ thống xúc giác cụ thể để hiểu cách thức hoạt động của các thiết bị này.

Như bạn có thể tưởng tượng, các hệ thống như chúng tôi đã mô tả ở đây có thể khá đắt. Điều đó có nghĩa là các ứng dụng của công nghệ vẫn còn hạn chế trong một số ngành và loại hình đào tạo chuyên biệt. Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá một số ứng dụng của công nghệ xúc giác.

Không khó để nghĩ ra cách áp dụng haptics. Các nhà sản xuất trò chơi điện tử đã sớm áp dụng phương pháp haptics thụ động, lợi dụng của cần điều khiển rung, bộ điều khiển và bánh lái để củng cố hoạt động trên màn hình. Nhưng các trò chơi điện tử trong tương lai sẽ cho phép người chơi cảm nhận và thao tác các chất rắn, chất lỏng, công cụ và hình đại diện ảo. Bộ điều khiển haptics Novint Falcon đã biến lời hứa này thành hiện thực. Bộ điều khiển phản hồi lực 3-D cho phép bạn phân biệt sự khác biệt giữa báo cáo súng lục và một vụ nổ súng ngắn, hoặc cảm nhận lực cản của dây cung khi bạn kéo lại một mũi tên.

Giao diện người dùng đồ họa, giống như giao diện xác định môi trường điều hành Windows và Mac, cũng sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ các tương tác xúc giác. Hãy tưởng tượng bạn có thể cảm nhận các nút đồ họa và nhận phản hồi bằng lực khi bạn ấn vào một nút. Một số nhà sản xuất màn hình cảm ứng đã và đang thử nghiệm công nghệ này. Các nhà thiết kế điện thoại Nokia đã hoàn thiện một màn hình cảm ứng xúc giác làm cho các nút trên màn hình hoạt động như thể chúng là các nút thật. Khi người dùng nhấn nút, họ cảm thấy chuyển động vào và chuyển động ra. Anh ta cũng nghe thấy một tiếng lách cách. Các kỹ sư của Nokia đã thực hiện điều này bằng cách đặt hai miếng cảm biến áp điện nhỏ dưới màn hình và thiết kế để màn hình có thể di chuyển nhẹ khi nhấn. Mọi thứ - chuyển động và âm thanh - được đồng bộ hóa hoàn hảo để mô phỏng thao tác nút bấm thực.

Mặc dù một số công ty đang tham gia cùng Novint và Nokia trong nỗ lực kết hợp giao diện xúc giác vào các sản phẩm phổ thông, nhưng chi phí vẫn là một trở ngại. Công nghệ cảm ứng phức tạp nhất được tìm thấy trong các ứng dụng công nghiệp, quân sự và y tế. Đào tạo với haptics ngày càng trở nên phổ biến. Ví dụ, sinh viên y khoa hiện có thể hoàn thiện các kỹ thuật phẫu thuật tinh vi trên máy tính, cảm nhận cảm giác như khâu các mạch máu trong lỗ nối hoặc tiêm BOTOX vào mô cơ của khuôn mặt ảo. Thợ máy máy bay có thể làm việc với các bộ phận và quy trình dịch vụ phức tạp, chạm vào mọi thứ mà họ nhìn thấy trên màn hình máy tính . Và những người lính có thể chuẩn bị cho trận chiến bằng nhiều cách khác nhau, từ học cách gỡ bom đến vận hành máy bay trực thăng, xe tăng hoặc máy bay chiến đấu trong các tình huống chiến đấu ảo.

Công nghệ Haptic cũng được sử dụng rộng rãi trong viễn thông, hoặc điều khiển từ xa. Trong một hệ thống điều khiển từ xa, một người điều khiển con người điều khiển chuyển động của một robot được đặt ở một khoảng cách xa. Một số robot điều khiển từ xa bị giới hạn ở những nhiệm vụ rất đơn giản, chẳng hạn như nhắm máy ảnh và gửi lại hình ảnh trực quan. Trong một dạng viễn thông phức tạp hơn được gọi là viễn vọng, người điều khiển con người có cảm giác đang ở trong môi trường của robot. Haptics giờ đây có thể bao gồm các tín hiệu cảm ứng ngoài các tín hiệu âm thanh và hình ảnh trong các mô hình viễn thông. Sẽ không lâu nữa trước khi các nhà thiên văn học và các nhà khoa học hành tinh thực sự nắm giữ và điều khiển một tảng đá trên sao Hỏa thông qua một telerobot hỗ trợ xúc giác tiên tiến - một phiên bản cảm ứng cao của Mars Exploration Rover.

Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét cách công nghệ xúc giác đã đạt được tầm quan trọng của nó và đang trở nên thiết yếu trong một số ứng dụng.

Giúp người mù cảm nhận một thành phố

Các nhà khoa học máy tính ở Hy Lạp đang kết hợp công nghệ xúc giác vào các bản đồ có thể chạm cho người mù. Để tạo bản đồ, các nhà nghiên cứu quay video về một vị trí trong thế giới thực, mô hình kiến ​​trúc của một tòa nhà hoặc một khối thành phố. Phần mềm đánh giá từng khung hình video để xác định hình dạng và vị trí của mọi đối tượng. Dữ liệu dẫn đến một lưới trường lực ba chiều cho mỗi cấu trúc. Sử dụng thiết bị giao diện xúc giác, một người mù có thể cảm nhận được những lực này và cùng với các tín hiệu âm thanh, có được cảm giác tốt hơn nhiều về cách bố trí của thành phố hoặc tòa nhà.

Trong trò chơi điện tử , việc bổ sung các khả năng xúc giác là rất tốt. Nó làm tăng tính thực tế của trò chơi và kết quả là, sự hài lòng của người dùng. Nhưng trong đào tạo và các ứng dụng khác, giao diện xúc giác là rất quan trọng. Đó là bởi vì xúc giác truyền tải thông tin phong phú và chi tiết về một đối tượng. Khi nó kết hợp với các giác quan khác, đặc biệt là thị giác, xúc giác làm tăng đáng kể lượng thông tin được gửi đến não để xử lý. Sự gia tăng thông tin làm giảm lỗi của người dùng, cũng như thời gian cần thiết để hoàn thành một nhiệm vụ. Nó cũng làm giảm mức tiêu thụ năng lượng và độ lớn của các lực tiếp xúc được sử dụng trong tình huống điều khiển từ xa.

Rõ ràng, Samsung đang hy vọng tận dụng một số lợi ích này với việc giới thiệu điện thoại Anycall Haptic. Nokia sẽ đẩy mạnh phong cách này hơn nữa khi giới thiệu điện thoại có màn hình cảm ứng xúc giác. Vâng, những chiếc điện thoại như vậy sẽ rất tuyệt. Và, vâng, chúng sẽ rất tuyệt khi chạm vào. Nhưng chúng cũng sẽ dễ sử dụng hơn, với các tính năng dựa trên cảm ứng dẫn đến ít lỗi đầu vào hơn và trải nghiệm tổng thể hài lòng hơn.

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về haptics và các công nghệ liên quan, hãy xem các liên kết trên trang tiếp theo.

Học Haptic: Thế hệ thực hành tiếp theo

Ngày nay, giáo viên thường được giao nhiệm vụ đánh giá cách học của học sinh để họ có thể điều chỉnh phương pháp giảng dạy của mình cho phù hợp. Phong cách học tập là cách một người học tốt nhất. Mặc dù có nhiều mô hình phong cách học tập, nhưng một mô hình phổ biến là dựa trên đầu vào cảm tính. Trong mô hình này, có ba phong cách học cơ bản: thính giác , thị giác và động học . Hầu hết học sinh học tốt nhất thông qua một trong ba chế độ này, mặc dù một số là đa phương thức, có nghĩa là họ có nhiều hơn một sở thích học tập mạnh mẽ.

Nghiên cứu cho thấy rằng ngay cả những người học thính giác và thị giác cũng được hưởng lợi rất nhiều từ các hoạt động liên quan đến xúc giác. Trong một nghiên cứu, học sinh trung học cơ sở và trung học phổ thông phát triển thái độ tích cực hơn về khoa học và hiểu sâu hơn về các khái niệm chính khi họ sử dụng các kỹ thuật học xúc giác. Dựa trên điều này và các nghiên cứu tương tự, các giáo viên khoa học nói riêng bị thu hút bởi haptics. Nhiều người đang sử dụng công nghệ để giúp học sinh tương tác với các vật thể, chẳng hạn như vi rút hoặc các hạt nano mà nếu không thì sẽ quá nhỏ để có thể chạm vào hoặc nhìn thấy. Những người khác đang cho phép sinh viên của họ thăm dò kết xuất 3-D của các tế bào. Và vẫn còn những người khác đang sử dụng thiết bị phản hồi xúc giác để dạy học sinh về các lực vô hình như trọng lực và ma sát một cách hoàn chỉnh hơn.

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn