Haptik Teknolojisi Nasıl Çalışır?

Apple iPhone'un harika olduğunu düşünüyorsanız, Samsung'un bu telefonuyla gözlerinizi ve parmaklarınızı ziyafet çekin. Anycall Haptic olarak adlandırılan telefon, tıpkı iPhone gibi geniş bir dokunmatik ekrana sahip. Ancak Apple'ın devrim niteliğindeki gadget'ını en azından şimdilik daha iyi yapıyor: Kullanıcıların tıklamaları, titreşimleri ve diğer dokunsal girdileri hissetmelerini sağlıyor. Toplamda, kullanıcıya 22 çeşit dokunma hissi sağlar.

Bu duyumlar, isimde haptik teriminin kullanımını açıklar. Haptik, dokunmak anlamına gelen Yunanca "haptesthai" den gelir. Sıfat olarak, dokunma duyusuyla ilgili veya buna dayalı anlamına gelir. Genellikle çoğul (haptik) olarak kullanılan bir isim olarak, dokunma duyusunun bilimi ve fizyolojisi anlamına gelir. Bilim adamları onlarca yıldır haptik üzerinde çalışıyorlar ve dokunma biyolojisi hakkında oldukça bilgililer. Örneğin, deride ne tür reseptörler olduğunu ve sinirlerin merkezi sinir sistemi ile temas noktası arasında nasıl bilgi alışverişi yaptığını bilirler.

Ne yazık ki, bilgisayar bilimcileri bu temel dokunma anlayışını sanal gerçeklik sistemlerine aktarmakta büyük zorluk yaşadılar. Bilgisayar tarafından oluşturulan modellerde görsel ve işitsel ipuçlarının kopyalanması kolaydır, ancak dokunsal ipuçları daha sorunludur. Tipik bir arayüz aracılığıyla bir kullanıcının bilgisayarın zihninde bir şeyler olduğunu hissetmesini sağlamak neredeyse imkansızdır. Elbette klavyeler , kullanıcıların sözcükleri yazmasına olanak tanır ve joystickler ve direksiyon simidi titreyebilir. Ancak bir kullanıcı sanal dünyanın içindekilere nasıl dokunabilir? Örneğin, bir video oyunu oyuncusu, karakterinin silahının sert, soğuk çeliğini nasıl hissedebilir? Bir bilgisayar simülatöründe eğitim alan bir astronot, sanal bir ay taşının ağırlığını ve sert dokusunu nasıl hissedebilir?

1980'lerden beri bilgisayar bilimcileri bu soruları cevaplamaya çalışıyorlar. Alanları, bilgisayar haptikleri olarak bilinen özel bir haptik alt kümesidir . Sonraki birkaç sayfada, dokunsal teknolojinin nasıl çalıştığını ele alacağız:

Tabii ki, haptiklerin gelecek vaat eden geleceği, tarihine çok şey borçludur. Bir sonraki bölümde, bilgisayar haptiğinin sürekli bir haptik araştırması üzerine düştüğünü anlamak için bu geçmişi inceleyeceğiz.

1. Haptik Sürekliliği
2. Dokunsal Geri Bildirim Türleri
3. Haptik Sistemler
4. Haptik Teknolojisinin Uygulamaları
5. Haptik Teknolojinin Önemi

Bir çalışma alanı olarak haptik, otomasyonun yükselişi ve evrimi ile yakından paralel olmuştur. Sanayi devriminden önce bilim adamları, canlıların dokunmayı nasıl deneyimlediklerine odaklandılar. Biyologlar, denizanası ve solucanlar gibi basit organizmaların bile karmaşık dokunma tepkilerine sahip olduğunu öğrendi . 20. yüzyılın başlarında, psikologlar ve tıp araştırmacıları, insanların dokunmayı nasıl deneyimlediklerini aktif olarak incelediler. Uygun şekilde, bu bilim dalı insan haptikleri olarak bilinir hale geldi ve dokunma duyusu ile ilişkili birincil yapı olan insan elinin olağanüstü derecede karmaşık olduğunu ortaya çıkardı.

27 kemik ve ön kolda yer alan kaslar da dahil olmak üzere 40 kas ile el, muazzam bir el becerisi sunar. Bilim adamları, bu beceriyi , serbestlik dereceleri olarak bilinen bir kavram kullanarak ölçüyorlar . Bir serbestlik derecesi, tek bir eklem tarafından sağlanan harekettir. İnsan eli 22 eklem içerdiğinden 22 derecelik serbestlikle harekete izin verir. Eli kaplayan deri, dokunma duyularını beyne ve omuriliğe ileten sinir sisteminin bileşenleri olan reseptörler ve sinirler açısından da zengindir.

Ardından makinelerin ve robotların gelişimi geldi. Bu mekanik cihazların da çevrelerine dokunması ve hissetmesi gerekiyordu, bu yüzden araştırmacılar bu duyumun makinelere nasıl aktarılabileceğini araştırmaya başladılar. Makine haptikleri çağı başlamıştı. Uzak nesnelerle dokunsal etkileşime izin veren en eski makineler, bir direğin ucuna yerleştirilmiş basit kol ve kabloyla çalıştırılan maşalardı. Bir işçi, bir tabanca kabzasını hareket ettirerek, yönlendirerek ve sıkarak, bir nesneyi tutmak, hareket ettirmek ve manipüle etmek için kullanılabilecek maşaları uzaktan kontrol edebilir.

1940'larda, bu nispeten kaba uzaktan kumanda sistemleri, nükleer ve tehlikeli madde endüstrilerine hizmet etmek için geliştirildi. Bir makine arayüzü aracılığıyla işçiler, toksik ve tehlikeli maddeleri maruz kalma riski olmadan manipüle edebilirler. Sonunda, bilim adamları mekanik bağlantıları motorlar ve elektronik sinyallerle değiştiren tasarımlar geliştirdiler . Bu, en ince el hareketlerini bile uzak bir manipülatöre hiç olmadığı kadar verimli bir şekilde iletmeyi mümkün kıldı.

Bir sonraki büyük ilerleme elektronik bilgisayar biçiminde geldi. İlk başta, bilgisayarlar gerçek bir ortamda makineleri kontrol etmek için kullanıldı (bir otomobil montaj tesisindeki bir fabrika robotunu kontrol eden bilgisayarı düşünün). Ancak 1980'lerde bilgisayarlar sanal ortamlar oluşturabiliyordu -- kullanıcıların içine atılabileceği 3 boyutlu dünyalar. Bu erken sanal ortamlarda, kullanıcılar uyaranları yalnızca görme ve ses yoluyla alabiliyorlardı. Simüle edilmiş nesnelerle dokunsal etkileşim, uzun yıllar sınırlı kalacaktır.

Daha sonra, 1993 yılında, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki (MIT) Yapay Zeka Laboratuvarı, dokunsal stimülasyon sağlayan ve sonunda bilgisayar tarafından oluşturulan bir nesneye dokunmayı ve hissetmeyi mümkün kılan bir cihaz yaptı. Projede çalışan bilim adamları, araştırma alanlarını, makine ve insan haptiğinden ayırt etmek için bilgisayar haptikleri olarak tanımlamaya başladılar. Bugün, bilgisayar haptikleri, sanal nesnelerin dokunuşunu ve hissini oluşturmak için gereken - hem donanım hem de yazılım - sistemler olarak tanımlanmaktadır. Bir dizi umut verici dokunsal teknoloji sağlayan, hızla büyüyen bir alandır.

Bu teknolojilerin bazılarına daha ayrıntılı olarak bakmadan önce, dokunsal bir sistemin başarılı olması için sağlaması gereken dokunma duyumlarının türlerine bakalım.

Çevremizdeki dünyayı keşfetmek için ellerimizi kullandığımızda, iki tür geri bildirim alırız - kinestetik ve dokunsal . İkisi arasındaki farkı anlamak için, bir beyzbol topuna uzanan, onu alan ve keşfeden bir eli düşünün . El topa uzandığında ve şeklini kavramak için ayarladığında, eklem açısını, kas uzunluğunu ve gerginliği tanımlayan benzersiz bir veri noktası seti oluşturulur. Bu bilgi, kaslara, tendonlara ve eklemlere gömülü özel bir reseptör grubu tarafından toplanır.

Proprioseptörler olarak bilinen bu reseptörler, beyin korteksinin somatosensoriyel bölgesi tarafından işlendiği beyne sinyaller taşır. Kas iğciği , kas uzunluğundaki değişiklikler hakkında bilgi sağlayan bir tür proprioseptördür. Golgi tendon organı , kas gerginliğindeki değişiklikler hakkında bilgi sağlayan başka bir proprioseptör türüdür . Beyin, bu kinestetik bilgiyi beyzbolun brüt boyutu ve şeklinin yanı sıra el, kol ve vücuda göre konumu hakkında bir fikir sağlamak için işler.

Parmaklar topa dokunduğunda parmak yastıkları ile top yüzeyi arasında temas sağlanır. Her parmak yastığı, hem deride hem de alttaki dokuda alıcılar içeren karmaşık bir duyusal yapıdır. Her bir uyaran türü için bir tane olmak üzere bu reseptörlerin birçok türü vardır: hafif dokunma, ağır dokunma, basınç, titreşim ve ağrı. Bu alıcılardan toplu olarak gelen veriler, beynin topla ilgili ince dokunsal detayları anlamasına yardımcı olur. Parmaklar keşfederken derinin daha pürüzsüz dokusunu, bağcıkların yükseltilmiş kabalığını ve kuvvet uygulandıkça topun sertliğini hissederler. Topun termal özellikleri bile dokunsal alıcılar aracılığıyla algılanır.

­

Kuvvet geribildirimi , dokunsal ve/veya kinestetik geribildirimi tanımlamak için sıklıkla kullanılan bir terimdir. Beyzbol örneğimizin gösterdiği gibi, kuvvet geri beslemesi oldukça karmaşıktır. Yine de, bir kişi sanal bir nesneyi herhangi bir sadakatle hissedecekse, zorla geri bildirim, kişinin alması gereken bilgi türüdür. Bilgisayar bilimcileri, kullanıcıların sanal nesneleri kuvvet geri bildirimi yoluyla hissetmelerini sağlayacak cihazlar - dokunsal arayüz cihazları - üzerinde çalışmaya başladı. Erken denemeler başarılı olmadı. Ancak bir sonraki bölümde göreceğimiz gibi, yeni nesil dokunsal arayüz cihazları emsalsiz bir performans, aslına uygunluk ve kullanım kolaylığı sağlıyor.

Dokunsal sistemler oluşturmak için çeşitli yaklaşımlar vardır. Büyük ölçüde farklı görünseler de, hepsinin iki önemli ortak noktası vardır: bir kullanıcının sanal kimliği bir nesneyle ve bu kuvvetlerin kullanıcıya uygulanabileceği bir cihazla etkileşime girdiğinde ortaya çıkan kuvvetleri belirleyen yazılım. Yazılımın hesaplamalarını gerçekleştirmek için kullandığı asıl işleme dokunsal işleme denir . Yaygın bir işleme yöntemi, sanal dünyadaki nesneleri temsil etmek için çokyüzlü modeller kullanır. Bu 3 boyutlu modeller, çeşitli şekilleri doğru bir şekilde tasvir edebilir ve kuvvet çizgilerinin nesnenin çeşitli yüzleriyle nasıl etkileşime girdiğini değerlendirerek dokunma verilerini hesaplayabilir. Bu tür 3 boyutlu nesnelere sağlamlık kazandırılabilir ve yüzey dokusuna sahip olabilir.

Dokunsal görüntülerin kullanıcıya iletilmesi işi arayüz cihazına düşmektedir. Bir farenin, sentezlenmiş herhangi bir dokunsal veriyi kullanıcıya iletemeyen pasif bir cihaz olması dışında, birçok açıdan, arayüz cihazı bir fareye benzer. Bu cihazların nasıl çalıştığını anlamak için birkaç özel dokunsal sisteme bakalım.

Tahmin edebileceğiniz gibi, burada tanımladığımız gibi sistemler oldukça pahalı olabilir. Bu, teknolojinin uygulamalarının hala belirli endüstriler ve özel eğitim türleri ile sınırlı olduğu anlamına gelir. Bir sonraki sayfada, dokunsal teknolojinin bazı uygulamalarını keşfedeceğiz.

Haptik uygulama yollarını düşünmek zor değil. Video oyunu yapımcıları, ekrandaki etkinliği güçlendirmek için titreşen joysticklerden, kontrolörlerden ve direksiyonlardan yararlanan pasif haptiklerin ilk uygulayıcıları oldular. Ancak gelecekteki video oyunları, oyuncuların sanal katıları, sıvıları, araçları ve avatarları hissetmesini ve manipüle etmesini sağlayacak. Novint Falcon haptik kontrolörü bu sözü şimdiden gerçeğe dönüştürüyor. 3 boyutlu kuvvet geri besleme denetleyicisi, tabanca raporu ile pompalı tüfek patlaması arasındaki farkı anlamanıza veya bir oku geri çekerken uzun yayın ipinin direncini hissetmenize olanak tanır.

Windows ve Mac işletim ortamlarını tanımlayanlar gibi grafiksel kullanıcı arayüzleri de dokunsal etkileşimlerden büyük ölçüde faydalanacaktır. Bir düğmeye basarken grafik düğmeleri hissedebildiğinizi ve güç geri bildirimi alabileceğinizi hayal edin. Bazı dokunmatik ekran üreticileri zaten bu teknolojiyi deniyor. Nokia telefon tasarımcıları, ekrandaki düğmelerin gerçek düğmeler gibi davranmasını sağlayan dokunsal bir dokunmatik ekranı mükemmelleştirdi. Bir kullanıcı düğmeye bastığında, içeri ve dışarı hareket hisseder. Ayrıca sesli bir tıklama duyar. Nokia mühendisleri, ekranın altına iki küçük piezoelektrik sensör pedi yerleştirerek ve basıldığında hafifçe hareket edebilecek şekilde ekranı tasarlayarak bunu başardılar. Her şey - hareket ve ses - gerçek düğme manipülasyonunu simüle etmek için mükemmel bir şekilde senkronize edilir.

Birçok şirket, dokunsal arayüzleri ana akım ürünlere dahil etmek için Novint ve Nokia'ya katılıyor olsa da, maliyet hala bir engel. En gelişmiş dokunmatik teknoloji endüstriyel, askeri ve tıbbi uygulamalarda bulunur. Haptiklerle eğitim giderek daha yaygın hale geliyor. Örneğin, tıp öğrencileri artık bir anastomozda kan damarlarını dikmenin veya sanal bir yüzün kas dokusuna BOTOX enjekte etmenin nasıl bir şey olduğunu hissederek bilgisayarda hassas cerrahi teknikleri mükemmelleştirebilirler. Uçak mekaniği, bilgisayar ekranında gördükleri her şeye dokunarak karmaşık parçalar ve servis prosedürleri ile çalışabilir . Ve askerler, bir bombayı nasıl etkisiz hale getireceklerini öğrenmekten helikopter çalıştırmaya kadar çeşitli şekillerde savaşa hazırlanabilirler., sanal savaş senaryolarında tank veya savaş uçağı.

Haptik teknolojisi, teleoperasyonda veya telerobotikte de yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir telerobotik sistemde, bir insan operatör, biraz uzakta bulunan bir robotun hareketlerini kontrol eder. Bazı teleoperasyonlu robotlar, bir kamerayı hedeflemek ve görsel görüntüleri geri göndermek gibi çok basit görevlerle sınırlıdır . Telepresence olarak bilinen daha karmaşık bir teleoperasyon biçiminde, insan operatörün robotun ortamında bulunma duygusu vardır. Haptics artık telepresence modellerinde sesli ve görsel ipuçlarına ek olarak dokunmatik ipuçlarının dahil edilmesini mümkün kılıyor. Gökbilimciler ve gezegen bilimcilerinin, Mars Keşif Gezicisinin yüksek dokunuşlu bir versiyonu olan gelişmiş bir haptik özellikli telerobot aracılığıyla bir Mars taşını gerçekten tutması ve manipüle etmesi çok uzun sürmeyecektir.

Sonraki sayfada, dokunsal teknolojinin önemini nasıl kazandığına ve bazı uygulamalarda gerekli hale geldiğine bir göz atacağız.

Körlerin Bir Şehri Hissetmesine Yardımcı Olmak

Yunanistan'daki bilgisayar bilimcileri, görme engelliler için dokunulabilir haritalara dokunsal teknolojiyi dahil ediyor. Bir harita oluşturmak için araştırmacılar, bir binanın mimari modeli veya bir şehir bloğu gibi gerçek dünyadaki bir konumun videosunu çekerler. Yazılım, her nesnenin şeklini ve konumunu belirlemek için videoyu kare kare değerlendirir. Veriler, her yapı için üç boyutlu bir kuvvet alanları ızgarası ile sonuçlanır. Görme engelli bir kişi, dokunsal bir arayüz cihazı kullanarak bu güçleri hissedebilir ve sesli ipuçlarıyla birlikte bir şehrin veya binanın düzeni hakkında çok daha iyi bir fikir edinebilir.

Video oyunlarında , dokunsal yeteneklerin eklenmesi güzel. Oyunun gerçekliğini ve bunun sonucunda kullanıcının memnuniyetini artırır. Ancak eğitim ve diğer uygulamalarda dokunsal arayüzler hayati önem taşır. Bunun nedeni, dokunma duyusunun bir nesne hakkında zengin ve ayrıntılı bilgiler iletmesidir. Dokunma, özellikle görme olmak üzere diğer duyularla birleştiğinde, işlenmek üzere beyne gönderilen bilgi miktarını önemli ölçüde artırır. Bilgideki artış, kullanıcı hatasını ve bir görevi tamamlamak için gereken süreyi azaltır. Ayrıca, bir teleoperasyon durumunda kullanılan enerji tüketimini ve temas kuvvetlerinin büyüklüğünü azaltır.

Açıkçası, Samsung, Anycall Haptic telefonunun piyasaya sürülmesiyle bu avantajlardan bazılarından yararlanmayı umuyor. Nokia, dokunsal dokunmatik ekranlı telefonları tanıttığında sınırları daha da zorlayacak. Evet, bu tür telefonlara bakmak harika olacak. Ve evet, dokunmak havalı olacak. Ancak, daha az giriş hatasına ve genel olarak daha tatmin edici bir deneyime yol açan dokunmatik tabanlı özelliklerle kullanımları da daha kolay olacak.

Haptikler ve ilgili teknolojiler hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz, bir sonraki sayfadaki bağlantılara göz atın.

Dokunsal Öğrenme: Uygulamalı Yeni Nesil

Bu günlerde öğretmenlere, öğretim yöntemlerini buna göre uyarlayabilmeleri için genellikle öğrencilerinin öğrenme stillerini değerlendirmekle görev veriliyor. Bir öğrenme stili, bir kişinin en iyi nasıl öğrendiğidir. Birçok öğrenme stili modeli olmasına rağmen, popüler bir model duyusal girdiye dayanmaktadır. Bu modelde üç temel öğrenme stili vardır: işitsel , görsel ve kinestetik . Çoğu öğrenci en iyi bu üç moddan biri aracılığıyla öğrenir, ancak bazıları çok modludur, bu da birden fazla güçlü öğrenme tercihine sahip oldukları anlamına gelir.

Araştırmalar, işitsel ve görsel öğrenicilerin bile dokunma duyusunu içeren etkinliklerden büyük ölçüde yararlandığını gösteriyor. Bir çalışmada, ortaokul ve lise öğrencileri, dokunsal öğrenme tekniklerini kullandıklarında bilim hakkında daha olumlu tutumlar geliştirdiler ve temel kavramlara ilişkin daha derin bir anlayışa ulaştılar. Bu ve benzeri çalışmalardan hareketle özellikle fen bilimleri öğretmenleri haptiklere ilgi duymaktadır. Birçoğu, öğrencilerin virüsler veya nanopartiküller gibi dokunulamayacak veya görülemeyecek kadar küçük nesnelerle etkileşime girmesine yardımcı olmak için teknolojiyi kullanıyor. Diğerleri, öğrencilerinin hücrelerin 3 boyutlu görüntülerini araştırmasını sağlıyor. Ve yine de diğerleri, öğrencilere yerçekimi ve sürtünme gibi görünmez güçleri daha eksiksiz bir şekilde öğretmek için dokunsal geri bildirim cihazlarını kullanıyor.

İlgili Makaleler

Daha Fazla Harika Bağlantı