La tecnología háptica , también conocida como comunicación cinestésica o toque 3D , [1] [2] se refiere a cualquier tecnología que pueda crear una experiencia táctil aplicando fuerzas , vibraciones o movimientos al usuario. [3] Estas tecnologías se pueden utilizar para crear objetos virtuales en una simulación por computadora , para controlar objetos virtuales y para mejorar el control remoto de máquinas y dispositivos ( telerobótica ). Los dispositivos hápticos pueden incorporar sensores táctiles que miden las fuerzas ejercidas por el usuario en la interfaz. La palabra háptica , del griego: 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. La mayoría de los investigadores distinguen tres sistemas sensoriales relacionados con el sentido del tacto en los seres humanos: cutáneo , cinestésico y háptico . [4] [5] [6] Todas las percepciones mediadas por la sensibilidad cutánea y cinestésica se denominan percepción táctil. El sentido del tacto puede clasificarse como pasivo y activo, [7] y el término "háptico" se asocia a menudo con el tacto activo para comunicarse o reconocer objetos. [8]
Historia
Una de las primeras aplicaciones de la tecnología háptica fue en grandes aviones que utilizan sistemas de servomecanismos para operar superficies de control. [9] En aviones más livianos sin servosistemas , cuando el avión se acercaba a una pérdida , el golpe aerodinámico (vibraciones) se sentía en los controles del piloto. Esta fue una advertencia útil de una condición de vuelo peligrosa. Los servosistemas 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 solucionar 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 agitador que simula la respuesta de un sistema de control más simple . Alternativamente, se puede medir la fuerza servo y dirigir la señal a un sistema servo en el control, también conocido como retroalimentación de fuerza . La retroalimentación de fuerza se ha implementado experimentalmente en algunas excavadoras y es útil al excavar material mixto, como rocas grandes incrustadas en limo o arcilla. Permite al operador "sentir" y trabajar alrededor de obstáculos invisibles. [10]
En la década de 1960, Paul Bach-y-Rita desarrolló un sistema de sustitución de la visión utilizando una matriz de 20x20 de varillas de metal que se podían subir y bajar, produciendo "puntos" táctiles análogos a los píxeles de una pantalla. Las personas que se sientan en una silla equipada con este dispositivo pueden identificar imágenes a partir del patrón de puntos insertados en sus espaldas. [11]
La primera patente estadounidense para un teléfono táctil fue otorgada a Thomas D. Shannon en 1973. [12] A. Michael Noll en Bell Telephone Laboratories, Inc. construyó un primer sistema de comunicación táctil hombre-máquina a principios de la década de 1970 [13]. y se expidió una patente para su invención en 1975. [14]
En 1994, se desarrolló el chaleco Aura Interactor . [15] El chaleco es un dispositivo de retroalimentación de fuerza portátil que monitorea una señal de audio y usa tecnología de actuador electromagnético para convertir las ondas de sonido graves en vibraciones que pueden representar acciones como un puñetazo o una patada. El chaleco se conecta a la salida de audio de un estéreo, TV o VCR 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). Utilizaba receptáculos en forma de dedal al final de los brazos computarizados en los que se podían insertar los dedos de una persona, lo que les permitía "sentir" un objeto en la pantalla de una computadora. [dieciséis]
En 1995, el noruego Geir Jensen describió un dispositivo háptico de reloj de pulsera con un mecanismo de pulsación de la piel, denominado Tap-in. El reloj de pulsera se conectaría a un teléfono móvil a través de Bluetooth , y los patrones de frecuencia de pulsación permitirían al usuario responder a las personas que llaman con mensajes cortos seleccionados. [17]
En 2015, se lanzó el Apple Watch . Utiliza la detección de pulsaciones en la piel para enviar notificaciones y alertas desde el teléfono móvil del usuario del reloj.
Implementación
Vibración
La mayoría de los componentes electrónicos que ofrecen retroalimentación háptica usan vibraciones, y la mayoría usa un tipo de actuador de masa giratoria excéntrica (ERM), que consiste en un peso desequilibrado unido a un eje del motor. A medida que gira el eje, el giro de esta masa irregular hace que el actuador y el dispositivo adjunto se muevan. Algunos dispositivos más nuevos, como los MacBooks y los iPhones de Apple con el "motor táptico", logran sus vibraciones con un actuador resonante lineal (LRA), que mueve una masa de manera recíproca por medio de una bobina de voz magnética , de manera similar a como ocurre con los sistemas eléctricos de CA las señales 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. [18]
Los actuadores piezoeléctricos también se emplean para producir vibraciones y ofrecen un movimiento aún más preciso que los LRA, con menos ruido y en una plataforma más pequeña, pero requieren voltajes más altos que los ERM y LRA. [19]
Fuerza de retroalimentación
Algunos dispositivos usan motores para manipular el movimiento de un artículo que tiene el usuario. Un uso común es en los videojuegos y simuladores de conducción de automóviles, que giran el volante para simular las fuerzas experimentadas al tomar una curva con un vehículo real. En 2007, Novint lanzó el Falcon , el primer dispositivo táctil 3D para consumidores con Force Feedback tridimensional de alta resolución. Esto permitió la simulación háptica de objetos, texturas, retroceso, impulso y la presencia física de objetos en los juegos. [20] [21]
Anillos de vórtice de aire
Los anillos de vórtice de aire son bolsas de aire en forma de rosquilla formadas por ráfagas de aire concentradas. Los vórtices de aire concentrados pueden tener la fuerza de apagar una vela o alterar los papeles a unos pocos metros de distancia. Tanto Microsoft Research (AirWave) [22] como Disney Research (AIREAL) [23] han utilizado vórtices de aire para proporcionar retroalimentación háptica sin contacto. [24]
Ultrasonido
Se pueden usar rayos de ultrasonido enfocados para crear una sensación localizada de presión 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 serie de transductores de ultrasonido. Estos rayos también se pueden utilizar para ofrecer sensaciones de vibración, [25] y para dar a los usuarios la capacidad de sentir objetos virtuales en 3D. [26]
Aplicaciones
Pantallas electrónicas táctiles
Una pantalla electrónica táctil es un dispositivo de visualización que ofrece texto e información gráfica utilizando el sentido del tacto. Se han desarrollado dispositivos de este tipo para ayudar a los usuarios ciegos o sordos proporcionando una alternativa a la sensación visual o auditiva. [27] [28]
Videojuegos
La retroalimentación háptica se usa comúnmente en los juegos de arcade , especialmente en los videojuegos de carreras . En 1976, el juego de motos de Sega , Moto-Cross , [29] también conocido como Fonz , [30] fue el primer juego en usar retroalimentación háptica, haciendo que el manillar vibrara durante una colisión con otro vehículo. [31] El TX-1 de Tatsumi introdujo la retroalimentación de fuerza a los juegos de conducción de automóviles en 1983. [32] ¡ El juego Earthshaker! agregó 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 Nintendo 64 en 1997. En el mismo año, Immersion Corporation lanzó Microsoft SideWinder Force Feedback Pro con retroalimentación incorporada . [33] Muchos controladores de consolas y joysticks disponen de propiedades dispositivos de retroalimentación, que son los motores con masas excéntricas que los beneficios, haciéndolo vibrar, incluyendo Sony 's DualShock tecnología y Microsoft ' s del impulso de disparo tecnología. Algunos controladores de volante de automóvil, por ejemplo, están programados para proporcionar una "sensación" de la carretera. A medida que el usuario da un giro o acelera, el volante responde resistiendo los giros o deslizándose fuera de control.
Las introducciones notables incluyen:
- 2013: Microconsolas Steam Machines de Valve , incluida una nueva unidad Steam Controller que utiliza electroimanes ponderados capaces de ofrecer una amplia gama de retroalimentación háptica a través de los trackpads de la unidad. [34] Los sistemas de retroalimentación de estos controladores son configurables por el usuario.
- 2014: un nuevo tipo de cojín háptico que responde a las entradas multimedia de LG Electronics. [35]
- 2015: El controlador de vapor con HD Haptics, con actuadores de fuerza háptica en ambos lados del controlador, por Valve. [36]
- 2017: El interruptor de Nintendo 's Alegría-Con , la introducción de la función HD Rumble, desarrollado con Immersion Corporation y utilizando Alpes actuadores. [37] [38] [39]
- 2018: Los Razer Nari Ultimate, auriculares para juegos que utilizan un par de controladores hápticos de frecuencia ancha, desarrollados por Lofelt . [40] [41]
- 2020: Los controladores de Sony PlayStation 5 pueden adaptar la resistencia de los controles del gatillo, como simular la resistencia creciente que se siente mientras se tira de la cuerda de un arco, así como una retroalimentación háptica más precisa a través de actuadores de bobina móvil. [42]
Computadoras personales
En 2008, la MacBook y MacBook Pro de Apple Inc. comenzaron a incorporar un diseño de "panel táctil táctil" [43] [44] con funcionalidad de botón y retroalimentación háptica incorporada en la superficie de seguimiento. [45] Siguieron productos como Synaptics ClickPad. [46]
En 2015, Apple introdujo los trackpads " Force Touch " en el MacBook Pro 2015 que simula clics con un "Taptic Engine". [47] [48]
Dispositivos móviles
La retroalimentación háptica táctil es común en los dispositivos celulares . En la mayoría de los casos, esto toma la forma de respuesta de vibración al tacto. Alpine Electronics utiliza una tecnología de retroalimentación háptica llamada PulseTouch en muchas de sus unidades estéreo y de navegación para automóviles con pantalla táctil. [49] El Nexus One cuenta con retroalimentación háptica, de acuerdo con sus especificaciones. [50] Samsung lanzó por primera vez un teléfono con hápticos en 2007. [51]
La háptica de superficie se refiere a la producción de fuerzas variables en el dedo de un usuario cuando interactúa con una superficie como una pantalla táctil. Tanvas [52] utiliza una tecnología electrostática [53] para controlar las fuerzas en el plano experimentadas por la yema del dedo, como una función programable del movimiento del dedo. El proyecto de tableta TPaD utiliza una tecnología ultrasónica para modular la aparente deslizamiento de una pantalla táctil de vidrio. [54]
En 2013, Apple Inc. recibió la patente de un sistema de retroalimentación háptica que es adecuado para superficies multitáctiles. La patente estadounidense de Apple para un "Método y aparato para la localización de retroalimentación háptica" describe un sistema donde al menos dos actuadores se colocan debajo de un dispositivo de entrada multitáctil, proporcionando retroalimentación vibratoria cuando un usuario hace contacto con la unidad. [55] Específicamente, la patente prevé que un actuador induzca una vibración de retroalimentación, mientras que al menos otro actuador usa sus vibraciones para localizar la experiencia háptica evitando que el primer conjunto de vibraciones se propague a otras áreas del dispositivo. La patente da el ejemplo de un "teclado virtual", sin embargo, también se observa que la invención se puede aplicar a cualquier interfaz multitáctil. [56]
Realidad virtual
Los hápticos están ganando una aceptación generalizada como una parte clave de los sistemas de realidad virtual , agregando el sentido del tacto a interfaces que antes eran solo visuales. [57] Se están desarrollando sistemas para utilizar interfaces hápticas para el modelado y diseño 3D, incluidos sistemas que permiten que los hologramas se vean y se sientan. [58] [59] [60] Varias empresas están fabricando chalecos hápticos de cuerpo entero o torso o trajes hápticos para usar en realidad virtual inmersiva para permitir a los usuarios sentir explosiones e impactos de bala. [61]
Teleoperadores y simuladores
Los teleoperadores son herramientas robóticas controladas a distancia. Cuando el operador recibe retroalimentación sobre las fuerzas involucradas, esto se denomina teleoperación háptica . Los primeros teleoperadores accionados eléctricamente fueron construidos en la década de 1950 en el Laboratorio Nacional de Argonne por Raymond Goertz para manejar de forma remota sustancias radiactivas. [62] 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 utilizando controles hápticos del operador, lo que permite guardar o reproducir los datos que representan las sensaciones táctiles. [63]
Robótica
La retroalimentación háptica es esencial para realizar tareas complejas a través de la telepresencia . La Mano Oscura , una mano robótica avanzada, tiene un total de 129 sensores de contacto incrustado en cada almohadilla de las articulaciones y el dedo que transmiten información al operador. Esto permite realizar tareas como escribir a distancia. [64] un primer prototipo se puede ver en la NASA colección de robots humanoides, o 's robonautas . [sesenta y cinco]
Medicina y odontología
Se están desarrollando interfaces hápticas para simulación médica para la formación en procedimientos mínimamente invasivos como la laparoscopia y radiología intervencionista , [66] [67] y para la formación de estudiantes de odontología. [68] 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 . [69] La tecnología háptica ha permitido el desarrollo de la cirugía de telepresencia , lo que permite a cirujanos expertos operar a los pacientes a distancia. [70] A medida que el cirujano realiza una incisión, siente retroalimentación táctil y de resistencia como si trabajara directamente sobre el paciente. [71]
La tecnología háptica también puede proporcionar retroalimentación sensorial para mejorar las alteraciones del control del equilibrio relacionadas con la edad [72] y prevenir caídas en los ancianos y con alteraciones del equilibrio. [73]
Neurorrehabilitación
Para las personas con disfunción motora de las extremidades superiores, los dispositivos robóticos que utilizan retroalimentación háptica podrían usarse para la neurorrehabilitación. Los dispositivos robóticos, como los efectores finales y los exoesqueletos conectados a tierra y no conectados a tierra, se han diseñado para ayudar a restablecer el control sobre varios grupos de músculos. La retroalimentación háptica aplicada por estos dispositivos robóticos ayuda en la recuperación de la función sensorial debido a su naturaleza más inmersiva. [74]
Arte
Las tecnologías hápticas se han explorado en las artes virtuales, como la síntesis de sonido o el diseño gráfico y la animación . [75] La tecnología háptica se utilizó para mejorar las piezas de arte existentes en la exhibición Tate Sensorium en 2015. [76] 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 bajas. directamente en su instrumento. [77]
Aviación
La retroalimentación de fuerza se puede utilizar para aumentar la adherencia a una envolvente de vuelo segura y así reducir el riesgo de que los pilotos entren en estados peligrosos de vuelos fuera de las fronteras operativas mientras se mantiene la autoridad final de los pilotos y se aumenta su conocimiento de la situación . [78]
Espacio
El uso de tecnologías hápticas puede ser útil en la exploración espacial , incluidas las visitas al planeta Marte , según informes de prensa. [79]
Automotor
Con la introducción de grandes paneles de control con pantalla táctil en los tableros de los vehículos, la tecnología de retroalimentación háptica se utiliza para proporcionar confirmación de los comandos táctiles sin necesidad de que el conductor quite la vista de la carretera. [80] Las superficies de contacto adicionales, por ejemplo, el volante o el asiento, también pueden proporcionar información háptica al conductor, por ejemplo, un patrón de vibración de advertencia cuando está cerca de otros vehículos. [81]
Teledildonics
La retroalimentación háptica se utiliza dentro de la teledildónica , o "tecnología sexual", para conectar de forma remota juguetes sexuales y permitir a los usuarios participar en sexo virtual o permitir que un servidor remoto controle su juguete sexual. El término fue acuñado por primera vez por Ted Nelson en 1975, cuando discutía el futuro del amor, la intimidad y la tecnología. [ cita requerida ] En los últimos años, la teledildónica y la tecnología sexual se han expandido para incluir juguetes con una conexión bidireccional que permiten el sexo virtual a través de la comunicación de vibraciones, presiones y sensaciones. Muchos vibradores "inteligentes" permiten una conexión unidireccional, ya sea entre el usuario o un compañero remoto, para permitir el control del juguete.
Ver también
- Percepción háptica
- Hápticos
- Lista de juegos de PC con soporte de Force Feedback
- Interfaz de usuario orgánica
- Stylus (informática)
- Imágenes táctiles
- Guante con cable
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Otras lecturas
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- Klein, DH; Freimuth, GJ; Monkman, S .; Egersdörfer, A .; Meier, H .; Böse M .; Baumann, H;, Ermert y OT Bruhns. ”Elementos Táctiles Electrorreológicos”. Mecatrónica Vol. 15, núm. 7, págs. 883–97. Pergamon, septiembre de 2005.
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enlaces externos
- Tecnología háptica en HowStuffWorks