Abordarea practică a designului de produs cu ajutorul tehnologiei haptice

Popularitatea și utilitatea tot mai mare a dispozitivelor care utilizează instrumente și servicii digitale motivează tot mai mulți designeri de produse să integreze tehnologia haptică care asigură o mai mare implicare a utilizatorilor și oferă experiențe mai imersive. Interfețele digitale îmbunătățite cu senzații tactile oferă experiențe suplimentare prin interacțiunea tactilă, completând sau depășind percepția vizuală și auditivă. Proiectanții dornici să exploateze capacitățile haptice pot profita de componentele disponibile imediat pentru a urmări noi cazuri de utilizare și oportunități de afaceri.

Tehnologia haptică este deja utilizată în produse de consum extrem de populare, de la smartphone-uri la automobile, la dispozitive pentru puncte de vânzare și bancomate. De asemenea, acestea sunt utilizate și în dispozitive medicale și instrumente chirurgicale, în utilaje industriale și de producție și în aplicații de automatizare a clădirilor.

Originile tehnologiei haptice datează din 1880, când Pierre și Jacques Curie au demonstrat efectul piezoelectric al unor materiale care generează o mică sarcină electrică prin aplicarea unei forțe mecanice. Efectul piezoelectric inversat generează o mișcare fizică a unui material atunci când se aplică o tensiune și a fost utilizat pentru dezvoltarea primelor sisteme de detectare a submarinelor cu ultrasunete și a sistemelor radio aeriene. Aceleași principii stau la baza actuatoarelor și a traductoarelor utilizate în mod obișnuit în difuzoarele mici, microfoane și chiar în felicitările muzicale.

Combinarea capacităților haptice cu realitatea virtuală (VR), realitatea augmentată (AR) și internetul lucrurilor (IoT) are potențialul de a crește considerabil interacțiunea utilizatorilor cu dispozitivele existente și de a deschide calea spre noi aplicații. Actuatoarele haptice piezoelectrice adaugă o notă realistă interacțiunilor virtuale, vibrațiile oferind o senzație de reacție naturală și captivantă, cum ar fi simularea experiențelor din jocuri, de la curse la focuri de armă.

Tehnologia haptică poate avea un rol esențial în depășirea factorilor care limitează vederea sau sunetul în recunoașterea alertelor critice. În mediul medical, de exemplu, sistemul haptic poate ajuta personalul medical să reacționeze mai rapid la mai multe intrări, ceea ce ar putea salva vieți în situații în care fiecare secundă poate face diferența.

Percepția viitorului prin simțuri: aplicații și cazuri de utilizare

Potențialul tehnologiei haptice este limitat doar de viziunea designerilor de produse. Pe măsură ce AR și VR cresc în popularitate, iar inteligența artificială (AI) și învățarea automată (ML) continuă să evolueze, ne putem aștepta ca tehnologia haptică să aibă un rol important în furnizarea de experiențe digitale tot mai imersive într-o serie de industrii, inclusiv:

• Domeniile medicale, unde tehnologia haptică începe deja să fie importantă în chirurgia asistată de roboți și în procedurile dentare invazive, ajutând până în punctul în care pot reproduce experiența tactilă pe care medicii o dobândesc de-a lungul anilor de practică. În combinație cu VR, tehnologia haptică poate impulsiona dobândirea competențelor medicale prin simularea procedurilor din lumea reală într-o manieră care oferă experiențe practice, de la mânuirea unui bisturiu la palparea inimii. Tehnologia haptică poate asigura progrese în reabilitarea pacienților care au suferit leziuni debilitante, ajutând victimele accidentelor vasculare cerebrale să deprindă din nou abilități motorii esențiale și oferind persoanelor cu membre amputate capacitatea de a depăși limitele protezelor mecanice.
• Cazuri de utilizare în domeniul automobilelor, unde tehnologia haptică oferă deja șoferilor avertismente tactile în caz de părăsire a benzii de rulare și de prindere incorectă a volanului. Prin integrarea ceasurilor inteligente cu sistemele de navigație, operatorii pot fi avertizați cu privire la virajele care urmează, reducând astfel necesitatea de a-și muta privirea de pe ecranele de la bord pentru a urmări harta.
• Aplicațiile industriale și de prelucrare, unde operatorii de echipamente grele și lucrătorii de pe liniile de producție pot fi ușor distrași de necesitatea de a privi la butoane sau ecrane. Tehnologia haptică îi poate ajuta să se concentreze asupra sarcinilor din fața sau din spatele lor, confirmând în același timp că au făcut alegerile corecte, fără a se uita în altă parte. Tehnologia haptică poate fi încorporată în mănuși și haine pentru a permite controlul precis de la distanță al utilajelor, acuratețea operațiunilor de colectare și pentru a oferi feedback sau alerte în medii potențial periculoase.
• Servicii financiare și de comerț cu ridicata, deoarece clienții experimentează tehnologia haptică în întâlnirile obișnuite de zi cu zi cu sistemele de la punctele de vânzare și bancomate, cum ar fi interacțiunile de confirmare cu ajutorul cardurilor și al dispozitivelor mobile. Combinarea tehnologiei haptice cu AR/VR oferă potențialul unor experiențe de cumpărături online bogate, care să permită consumatorilor să reproducă virtual experiența la care se așteaptă în timpul unei operațiuni comerciale fizice.
• Electronica de consum, care s-a dovedit a fi un domeniu propice pentru tehnologia haptică. Primul smartphone haptic a fost prezentat la Consumer Electronics Show din 2000, iar tehnologia a fost rapid adoptată pentru smartphone-urile Android și Apple, inițial pentru a îmbunătăți experiența utilizatorului la utilizarea tastaturilor virtuale și apăsarea pictogramelor de pe ecran. Dar tehnologia haptică și-a găsit succesul mai devreme, prin îmbogățirea experienței jucătorilor de jocuri video în anii '90, cu controlere și accesorii, cum ar fi manetele de direcție, care ofereau feedback tactil pentru jocurile cu mașini și arme de foc, pe lângă altele. Odată cu evoluția continuă a dispozitivelor de consum și a serviciilor digitale – de la dispozitive de urmărire a activității fizice la căști și ochelari AR/VR – designerii de produse se întrec în a dezvolta noi capacități care să facă lumea digitală la fel de tangibilă ca cea fizică.

Componente pentru succes: opțiuni pentru orice nevoie

Proiectanții de produse pot utiliza portofolii de componente ușor de găsit pentru a crea interfețe haptice care să se potrivească specificațiilor și nevoilor aplicațiilor lor.

Primul pas constă în înțelegerea diferențelor dintre tehnologiile disponibile și cerințele de proiectare ale acestora. Componentele electromecanice reprezintă cea mai comună tehnologie pentru furnizarea de răspunsuri haptice. În general, acestea sunt grupate în următoarele categorii principale:

• Actuatoarele cu masă rotativă excentrică (ERM) utilizează o masă rotativă în afara axei atașată la un motor c.c. pentru a genera vibrații care pot oferi senzații de „zgomot” de joasă frecvență (Figura 1). Actuatorul vibrează la o frecvență direct corelată cu tensiunea de comandă a dispozitivului. Deoarece durează un anumit timp pentru ca motorul rotativ să atingă viteza dorită atunci când se aplică tensiunea – și pentru a încetini motorul până la oprire – acestea sunt cele mai potrivite pentru aplicațiile care necesită un efect de vibrație vizibil, dar nu au strict nevoie de un model de vibrație precis. PUI Audio oferă mai multe actuatoare ERM, inclusiv HD-EMB1104-SM-2 cu montare pe suprafață, care oferă un feedback haptic puternic într-o capsulă mică de 3,4 mm pe 4,4 mm pe 11 mm. Acesta este potrivit pentru domeniile medicale, auto sau industriale, pentru dispozitive de consum sau portabile sau pentru aparate de securitate. O altă opțiune este ERM-ul c.c. HD-EM0602-LW15-R fără perii de la PCI Audio, care are un control îmbunătățit al vitezei și al cuplului, precum și o durată de viață mai lungă decât actuatoarele cu perii.

Figura 1: Vedere descompusă a unui actuator ERM. (Sursa: PUI Audio)

• Piesele cu actuator rezonant liniar (LRA) (Figura 2) sunt acționate de curent alternativ și produc o vibrație în două direcții de-a lungul unei axe, furnizând informații utilizatorului prin intermediul modelelor de vibrație de înaltă rezoluție și cu răspuns rapid. LRA creează vibrații prin deplasarea masei într-o direcție liniară atunci când bobina este excitată cu frecvența și tensiunea semnalului aplicat dispozitivului, oferind un control independent atât asupra intensității, cât și asupra frecvenței vibrațiilor. Spre deosebire de ERM-uri, cu un dispozitiv echipat cu LRA, utilizatorii vor simți o vibrație imediat ce bobina este excitată și masa se mișcă în sus sau în jos. Această tehnologie este legată de difuzoarele tradiționale, în care o bobină este excitată de o formă de undă, ceea ce determină mișcarea unui magnet și a unei diafragme, generând unde sonore. HD-LA1307-SM de la PUI Audio este un LRA rezistent la apă, clasificat IP, cu montare pe suprafață, care facilitează integrarea perfectă în diverse aplicații finale, cum ar fi mediile de realitate virtuală, consolele de jocuri, simulatoarele medicale, dispozitivele portabile și interfețele de control industrial și de consum.

Figura 2: Vedere descompusă a unui LRA. (Sursa: PUI Audio)

• Motoarele cu bobină vocală (VCM), denumite și actuatoare cu bobină vocală (VCA) (Figura 3), utilizează aceeași tehnologie de bobină vocală ca și LRA, dar sunt chiar mai similare cu un difuzor. O masă se mișcă liniar, ca la un LRA, dar cu o dimensiune și o masă mai mari, producând un efect de vibrație mai substanțial și mai realist decât cel care ar putea fi reprodus cu un LRA. VCM-ul cilindric HD-VA2527 de la PUI Audio oferă efecte de vibrație flexibile și complexe.

Figura 3: Vederea descompusă a VCA. (Sursa: PUI Audio)

• Componentele haptice piezoelectrice, denumite adesea diagrame piezoelectrice sau sonerii, se bazează pe efectul piezoelectric invers și sunt alcătuite din straturi plate de material piezoelectric activ care se îndoaie și se contractă atunci când se aplică tensiune, creând sunet și vibrații. Acestea sunt disponibile sub formă de discuri, cum ar fi HD-PAB1501 de la PUI Audio, și benzi, cum ar fi HD-PAS2507. Diafragmele piezoelectrice pot furniza semnale mai complexe și mai detaliate, cum ar fi sunetul unei bătăi de inimă, un sentiment de realism fără precedent. Aceste componente oferă o precizie mai mare a deplasării, o viteză de răspuns mai rapidă, o forță generatoare mai semnificativă și o durată de viață mai lungă. Acestea necesită o tensiune mai mare decât ERM-urile și LRA-urile, dar proiectanții pot utiliza circuite integrate cu „driver de diafragmă” pentru a îndeplini cerințele de tensiune din surse de joasă tensiune.

Concluzie

Proiectanții de produse pot apela la portofoliile bogate de componente pentru a integra tehnologia haptică în dispozitivele lor. Aceștia trebuie să evalueze ce tip de vibrație este adecvat pentru proiectul lor, precum și beneficiile și limitările fiecărui actuator în ceea ce privește respectarea specificațiilor de proiectare, a nevoilor utilizatorului final și a aplicațiilor specifice. Cu alegerile de proiectare corecte, se pot crea produse noi cu abilități haptice care vor stimula noi oportunități de afaceri.