Hologramy, których można dotknąć, czyli interfejsy haptyczne. Wirtualna namacalność
Jak szczegółowo opisano w pracy opublikowanej na stronie laboratorium, naukowcy zaprojektowali i zbudowali samodzielne urządzenia ubieralne, które mogą być noszone w dowolnym miejscu na ludzkim ciele - na ramionach (1), nogach, a nawet na twarzy, o ile są w stanie nawiązać kontakt ze skórą. Urządzenia te wykorzystują silikonowe plastry i mikropompy do dostarczania pięciu różnych substancji chemicznych na powierzchnię skóry, które wywołują pięć różnych doznań fizycznych w miejscu kontaktu.
Mentol wywołuje wrażenie chłodzenia skóry, potencjalnie symulując spacer w zimowy dzień. Kapsaicyna, substancja odpowiadająca za pikantność np. papryki, wywołuje uczucie ciepła lub kontaktu z czymś gorącym. Lidokaina może wywołać uczucie odrętwienia, hydroxy-α-sanshool sprawia, że skóra odczuwa mrowienie, a cynamaldehyd wywołuje uczucie kłucia i może być wykorzystany jako negatywna forma haptycznego sprzężenia zwrotnego w grze VR. Wszystkie użyte chemikalia są bezpieczne dla ludzi, zapewniają twórcy systemu.
Od wibrujących pagerów po haptyczne rękawice
Haptykę można ogólnie definiować jako odtwarzanie zmysłu dotyku poprzez siły, wibracje i ruchy urządzeń pośredniczących. Zmysł ten jest bogaty i złożony, rejestruje zakresy bodźców od muśnięcia lekkim piórkiem, przez uściski dłoni, aż po masaże i zadawanie bólu. "Interfejsem" tego zmysłu jest w ludzkim ciele nie tylko skóra. Nasz przedsionek ucha wewnętrznego także wyczuwa wibracje i ruchy drgające, dostarczając informacji o poruszających się w pobliżu obiektach.
Badania nad tego rodzaju interfejsami trwają już od dawna. W 1998 roku profesor MIT Media Lab Hiroshi Ishii oraz studenci Scott Brave i Andrew Dahley zaprezentowali "inTouch" (2), system składający się z dwóch ręcznie wykonanych identycznych urządzeń, z których każde ma trzy równoległe drewniane kołki mające imitować wrażenia dotykowe.
Jednymi z najwcześniejszych przykładów poza laboratoriami naukowymi są telefony komórkowe i pagery, które wykorzystywały różne mechanizmy do generowania wibracji, które przyciągały uwagę użytkownika bez wydawania jakiegokolwiek hałasu. W 1997 roku Nintendo jako pierwszy producent wprowadziło podobną technologię do gier wideo w urządzeniu Rumble Pak N64, w którym kontrolery konsoli drżały i wibrowały w reakcji na akcję w grze - ta funkcja jest teraz powszechna.
Rozwiniętym jej przykładem tego nurtu jest zaprezentowany na początku 2021 roku system wirtualnej rzeczywistości Sony PlayStation VR obejmujący kontrolery, które będą służyć do obsługi VR w PS5 (3). Według komunikatów firmy nowy gadżet to m.in. "większy poziom immersji z wykorzystaniem adaptacyjnych wyzwalaczy, haptycznego sprzężenia zwrotnego i wykrywaniem dotyku palcem".
Oba z pary kontrolerów VR (lewy i prawy) mają adaptacyjne przyciski spustowe, które po naciśnięciu powodują odczuwalne napięcie, podobnie jak w znanym już wcześniej kontrolerze DualSense. Sprzężenie haptyczne daje użytkownikowi wrażenia wizualne i dźwiękowe odpowiadające scenerii, czy przemierza się skalistą pustynię, czy wymienia ciosy w walce wręcz. Kontroler wykrywa ponadto palce użytkownika bez żadnego naciskania w miejscach, w których umieszcza kciuk, palec wskazujący lub środkowy.
W ostatniej dekadzie nastąpił znaczący rozwój systemów naśladujących dotyk. Powstają specjalne rękawice i egzoszkielety. Zestaw Dexmo dostarcza wrażenia oporu dotykanej powierzchni, czyli użytkownik ma czuć, jak gdyby dotykał realnego przedmiotu. Opór stawiany palcom jest realny, gdyż w rękę-egzoszkielet wbudowano wyrafinowany system hamulców, zatrzymujących je w odpowiednim momencie. W efekcie dzięki oprogramowaniu i hamulcom palce zatrzymują się każdy w nieco innym punkcie wirtualnego przedmiotu zupełnie tak samo, jak gdyby spoczęły na powierzchni prawdziwego przedmiotu np. piłki.
Grupa studentów z Uniwersytetu Rice zaprojektowała parę lat temu rękawicę pozwalającą na "dotykanie" i "łapanie" obiektów w wirtualnej rzeczywistości, czyli w powietrzu. Rękawica Hands Omni pozwoli na wyczuwanie kształtów i rozmiarów "dotykanych" w wirtualnym świecie przedmiotów. Dzięki sprzężeniu świata generowanego komputerowo, który widzi osoba z odpowiednim sprzętem na oczach, z wrażeniami generowanymi w rękawicach, powstać ma zbliżony do rzeczywistości ekwiwalent dotyku. W sensie fizycznym za wrażenia te odpowiadać mają napełniane powietrzem poduszki w palcach rękawicy Hands Omni. Stopień napełnienia odpowiada za odczucia twardości generowanych obiektów.
Profesor Politechniki Federalnej w Lozannie (Ecole Polytechnique Federal de Lauzanne EPFL) Herbert Shea od lat pracuje nad siłownikami na bazie silikonu. Wraz ze swoim zespołem z laboratorium przetworników miękkich opracował bardzo małe, cienkie i szybkie siłowniki. Badacze stworzyli mikrokapsułki wielkości milimetra z silikonowej membrany izolacyjnej oraz metalizowanego poliestru, które wykorzystując energię elektrostatyczną, napełniają się oleistą cieczą i opróżniają. Każda kapsułka otoczona jest czterema elektrodami, które zamykają się jak zamek błyskawiczny - po przyłożeniu napięcia elektrody są ściągane razem, powodując pęcznienie środka kapsułki. Mogą też pęcznieć w górę i w dół, a także na boki i dookoła. Kiedy są umieszczane pod palcami, sprawiają wrażenie dotykania różnych obiektów.
Zespół Shea opracowuje teraz cienką rękawicę, w której integruje ze sobą kilkanaście takich kapsułek. Użytkownik rękawicy będzie miał wrażenie, że dotyka lub trzyma solidny przedmiot, pomimo że jego dłoń w rzeczywistości pozostaje pusta. Użytkownik gogli VR będzie mógł określić także, czy nieistniejący w rzeczywistości przedmiot, który trzyma lub dotyka, jest wykonany z drewna, szkła czy metalu. To wszystko da się zaprogramować, odpowiednio trenując algorytmy co do wagi, struktury i wrażeń dotykowych różnych przedmiotów. Szwajcarzy chcą, by nowego systemu rękawic mogli używać także na przykład ludzie uczący się gry na jakimś instrumencie czy trenujący sport wymagający wyczucia w rękach.
Coś wisi w powietrzu
Oprócz układów haptycznych z siłownikami i układami elektrostatycznymi, które tak czy inaczej oznaczają fizyczne dotykanie urządzeń, znane są pomysły na rozwiązania imitujące dotyk… bezdotykowo. Inna bezkontaktowa metoda haptyczna wykorzystuje matryce przetworników ultradźwiękowych. Może to odbywać się za pomocą ultradźwięków - brytyjski startup Ultrahaptics opracował jakiś czas temu niewielką matrycę z 64 przetworników, które pozwalają ludziom "dotykać wirtualnych obiektów w powietrzu". Ale w powietrzu (nomen omen) krążą różnego rodzaju koncepcje oparte na wydmuchiwaniu odpowiednio kontrolowanych strumieni powietrza. Nad układami takimi od lata pracował Microsoft Research. Niedawno pojawiła się nowa koncepcja.
Mowa o publikacjach opisujących dokonania grupy badawczej z uniwersytetu w Glasgow: opracowaliśmy system hologramów ludzi wykorzystujący "aerohaptykę", czyli tworzenie odczuć dotykowych za pomocą strumieni powietrza. Strumienie powietrza miałyby wywoływać wrażenie dotyku na palcach, dłoniach i nadgarstkach ludzi.
W swoich poszukiwaniach badacze ze Szkocji wykorzystują grafikę, która daje złudzenie wirtualnego obrazu 3D. Jest to nowoczesna odmiana XIX-wiecznej techniki iluzji nazywanej duchem Peppera. W dawnych czasach miała robić wrażenie na widzach sztuk teatralnych, podczas których demonstrowano na scenie wizje np. zjawisk nadprzyrodzonych.
System wykorzystuje układ szkieł i zwierciadeł do tworzenia iluzji dwuwymiarowego obrazu, który wydaje się unosić w przestrzeni bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu. Lustra składające się na system są ułożone w kształt piramidy z jedną otwartą stroną. Użytkownicy wkładają ręce przez otwartą stronę i wchodzą w interakcję z wygenerowanymi komputerowo obiektami, które wydają się unosić w wolnej przestrzeni wewnątrz piramidy. Obiekty te są tworzone graficznie i kontrolowane przez silnik do tworzenia gier Unity. Pod piramidą znajduje się czujnik, który śledzi ruchy dłoni i palców użytkownika oraz pojedyncza dysza powietrzna, która kieruje w ich stronę strumienie powietrza, aby wywołać złożone wrażenia dotykowe (4).
Cały system jest sterowany przez sprzęt elektroniczny zaprogramowany do kontroli ruchów dysz. Badacze z uczelni w Glasgow opracowali algorytm, który pozwala dyszy powietrznej reagować na ruchy rąk użytkownika za pomocą odpowiednich kombinacji kierunku i siły.
Możliwości systemu "aerohaptycznego" zostały zademonstrowane w interaktywnej projekcji piłki do koszykówki, którą można dotykać, toczyć i odbijać. Sprzężenie zwrotne dotyku z dysz powietrznych systemu jest modulowane w oparciu o wirtualną powierzchnię piłki do koszykówki, pozwalając użytkownikom poczuć zaokrąglony kształt piłki, gdy ją odbijają i uderzenie w dłoń, gdy wraca do ręki. Użytkownicy mogą nawet pchać wirtualną piłkę z różną siłą i wyczuwać różnicę w odczuciu twardego lub miękkiego odbicia na swojej dłoni.
Mirosław Usidus
