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Desarrollando una nueva tecnología táctil mediante el análisis de vibraciones sin contacto
Los teléfonos inteligentes han demostrado que los botones pueden ser reemplazados sin sacrificar la comodidad. Su pantalla de configuración con control por gestos ha facilitado aún más el cambio entre aplicaciones.
Hap2U impulsa esta revolución en la interfaz hombre-máquina. Su nueva tecnología agrega retroalimentación háptica[1] de alta fidelidad a las interfaces táctiles que superan las limitaciones actuales mejorando la experiencia del usuario en la electrónica de consumo.
Las pantallas táctiles de retroalimentación háptica mejoran la seguridad en el vehículo al proporcionar controles táctiles que mantienen los ojos del conductor en la carretera. Los vibrómetros láser Polytec son la tecnología clave para desarrollar tecnologías hápticas de alta gama.
En la siguiente entrevista, Matthieu Rupin, director de acústica del controlador de innovación francés para retroalimentación háptica Hap2U, presenta su visión del futuro de la interacción entre el conductor y el vehículo. Deja claro que, con la tecnología adecuada, las vibraciones se pueden utilizar para crear texturas virtuales que incluso se adaptan a la velocidad de un dedo que se desliza sobre ellas. Y eso funciona completamente en silencio y no solo en pantallas.
[1] El término háptica designa la ciencia del tacto, por analogía con la acústica (el oído) y la óptica (la vista). La palabra proviene del griego háptō (“tocar”, relativo al tacto).
Dr. Matthieu Rupin, líder del equipo de acústica y director técnico adjunto del innovador francés Hap2U
HAP2U
El núcleo de esta tecnología son los campos de ondas ultrasónicas que influyen específica y localmente en el coeficiente de fricción entre el dedo y la superficie. La gente siente superficies familiares y encuentra su camino de inmediato.
El mapeo de los parámetros de propagación en el material es indispensable para dimensionar los transductores ultrasónicos y calibrar los modelos. Para este propósito, Hap2U utiliza con éxito el vibrómetro de escaneo 3D de Polytec. Las aplicaciones van desde el desarrollo básico, la industrialización del producto hasta las pruebas de fatiga y vida útil.
¿En qué áreas se puede utilizar su tecnología háptica?
La retroalimentación háptica significa crear un estímulo mecánico bajo la yema del dedo del usuario cuando interactúa con una interfaz sensible al tacto, lo cual es útil en cualquier lugar donde haya una interacción con una máquina.
Desde la llegada de los teléfonos inteligentes, las pantallas han reemplazado gradualmente la interfaz que usaban botones mecánicos. Este fenómeno se puede explicar por diversos factores que van desde la diferenciación simplificada de interfaz a través de la programación básica, hasta el desarrollo de diseños más robustos al eliminar partes mecánicas y móviles como pomos, botones deslizantes, etc.
Sin embargo, esta tendencia generalizada resultó en la desaparición de la retroalimentación táctil de toda esa interfaz donde los botones previamente mecánicos solían proporcionar retroalimentación sensorial debido a su naturaleza tangible.
La creación de retroalimentación táctil programable es, por lo tanto, muy práctica para diferentes usos. En la industria del automóvil, la interfaz de pantalla del conductor es cada vez más grandes tanto para el diseño como para la innovación. Sin embargo, esta tendencia plantea la cuestión de la seguridad; los conductores deben permanecer totalmente concentrados en la carretera sin distraerse con una interfaz visual.
Las pantallas hápticas resuelven este problema creando una comunicación táctil entre el vehículo y el usuario. Por lo tanto, la interacción significa que los conductores no tienen que apartar la vista de la carretera.
En el caso de los productos para el hogar, como los electrodomésticos, la tecnología de retroalimentación háptica ofrece una ergonomía a la par con los botones mecánicos. En cuanto a los smartphones, esto implica un nuevo nivel de inmersión en cuanto a todas las funciones que van a surgir.
Imagínese poder agregar texturas a nuestras diferentes interacciones en un sitio web, en un juego, en las redes sociales. Incluso será posible configurar controles de botón con la pantalla apagada.
Campo de ondas ultrasónicas visualizado de la pantalla háptica (datos de medición)
¿En qué se diferencia esto de las tecnologías existentes o de sus
competidores?
La tecnología Hap2U representa el futuro de la retroalimentación háptica. Todos estamos muy familiarizados con las vibraciones de un teléfono celular. Este tipo de retroalimentación táctil, que envía información al usuario sin que éste tenga que interactuar con la interfaz, llamado toque pasivo, tiene dos limitaciones fundamentales; viene con un ruido y es un evento integral, en el sentido de que toda la interfaz vibra.
La tecnología Hap2U permite que esta propuesta vaya más allá para que se coloque directamente debajo de la punta de los dedos del usuario, produciendo así un mayor grado de sofisticación en la retroalimentación háptica. En particular, también es posible crear texturas artificiales que dependerán de la posición y velocidad de un dedo.
Todo tipo de botones o controles deslizantes pueden volver a ser sensibles al tacto en un entorno completamente digital. Esta tecnología nos permite combinar la flexibilidad de la interfaz digital con un nuevo nivel de sensibilidad táctil, lo que hace que la interacción hombre-máquina sea más intuitiva y exacta.
La naturaleza silenciosa de la tecnología también es una gran ventaja, porque además de centrarse en la percepción táctil, enriquece enormemente la experiencia del usuario; asegurando la confidencialidad de la información transmitida en forma táctil.
Finalmente, esto es mucho más que pantallas. La tecnología Hap2U también funciona en superficies táctiles hechas de plástico, madera, vidrio e incluso metal. Y recientemente han desarrollado objetos tridimensionales que pueden localizar y sostener en su mano con una función de retroalimentación háptica programable. Estos están destinados a reemplazar las partes mecánicas móviles de botones tangibles expuestos a un desgaste prematuro.
¿Cuál es el principio de funcionamiento general de sus pantallas hápticas?
¿Cómo se genera realmente la sensación del tacto?
La tecnología Hap2U genera un campo de ondas ultrasónicas en la superficie que entra en contacto con la piel. Usando transductores piezoeléctricos, se emiten ondas ultrasónicas que vibran varios miles de veces por segundo y presurizan el pequeño volumen de aire atrapado entre las yemas de los dedos y la pantalla.
Esto crea una fuerza de levitación acústica que reacciona contra la presión aplicada por las yemas de los dedos. El área de la superficie de contacto se reduce, reduciendo así el coeficiente de fricción. La vibración ultrasónica es, por lo tanto, un medio para influir en el coeficiente de fricción. Al controlar esta vibración en tiempo real, es posible emular las variaciones de fricción similares a las que se encuentran al explorar la superficie real.
En este dispositivo, los transductores piezoeléctricos juegan un papel clave ya que tienen la ventaja de ser muy reactivos, funcionan tanto como actuador como sensor además de ser económicos. El reto de nuestros ingenieros es diseñar correctamente estos elementos para que proporcionen un perfecto control de la vibración, independientemente de las condiciones de uso.
¿Qué diseños demanda el mercado y dónde entran en juego las pruebas de
vibración sin contacto?
Un paso crucial antes de que la tecnología entre en producción es garantizar que el producto del cliente sea compatible con las limitaciones del sistema. Para eso se prepara un prototipo para el cliente basado en un producto existente o futuro en el que se integra la “capa háptica”.
El objetivo de esta etapa es la caracterización de la muestra del cliente de la que se extraen los parámetros de propagación en un amplio intervalo de frecuencias.
La base del proceso de diseño para la interfaz háptica es el mapeo de vibraciones 3D que se realiza en muy poco tiempo con el vibrómetro de escaneo PSV Polytec. Siguiendo los pasos del diseño digital, la caracterización de vibraciones 3D obtenida permite controlar y refinar las simulaciones si es necesario.
Después de la prueba de concepto, sigue la etapa de industrialización. El objetivo de esta fase es hacer que la tecnología de la “capa háptica” cumpla con las limitaciones específicas del mercado. Aquí nuevamente, las mediciones de vibración de escaneo 3D se utilizan para respaldar el desarrollo del dispositivo antes y después de las pruebas de fatiga o resistencia.
La velocidad de las mediciones permite caracterizar un número significativo de muestras seguidas. Finalmente, se está haciendo mucha I + D para asegurar el liderazgo tecnológico. En este contexto, el vibrómetro de escaneo 3D es una herramienta indispensable para crear la conexión entre la percepción háptica y las vibraciones de la superficie. En este sentido, el acceso a los componentes de vibración en el plano es invaluable.
De hecho, los tejidos de la piel que intentamos hacer vibrar reaccionan de formas muy diferentes a diferentes tipos de ondas. El vibrómetro de escaneo 3D es, por lo tanto, la herramienta ideal para maximizar el efecto háptico de la vibración más débil posible. Las mediciones complejas también se pueden ajustar para caracterizar la respuesta vibratoria del dedo de un usuario a un estímulo ultrasónico específico.
Configuración de prueba en el laboratorio, escaneando automáticamente la superficie de la muestra en busca de datos de vibración 3D
¿Qué dicen los resultados de la medición de vibraciones sin contacto de
alta resolución?
Cuando se está caracterizando una pantalla háptica, se mide la respuesta de un gran número de puntos que cruzan la superficie potencialmente curvada a una excitación de pulso por una fuente especialmente diseñada para esta medición.
De esta forma obtenemos una gran cantidad de información espacio-tiempo que, utilizando algoritmos avanzados de pos-procesamiento, permite extraer parámetros clave de propagación. Esta información permite diseñar con exactitud actuadores para optimizar la efectividad del dispositivo.
Pero las mediciones también abren nuevas perspectivas. Con los datos de vibración 3D podemos estudiar los componentes x, y, z del campo de ondas ultrasónicas por separado, lo que nos permite desarrollar nuevas funciones hápticas. Además, el vibrómetro de escaneo 3D ha demostrado ser crucial para una variedad de invenciones para las que se tienen nuevas patentes registradas, que actualmente están siendo validadas.
¿Dónde ve la medición de vibraciones de escaneo 3D en comparación con lo
que estaba haciendo antes?
Cuando comenzamos, éramos muy conscientes de la importancia de la naturaleza sin contacto de las mediciones de vibrometría láser Doppler, por lo que compramos un vibrómetro láser de fibra óptica 1D. Esto nos permitió vincular la amplitud de vibración fuera del plano con los parámetros de conducción de los actuadores.
Luego, emparejamos el vibrómetro láser con motores paso a paso que controlan la posición en el plano XY, lo que nos permitió mapear el campo de vibración fuera del plano y por lo tanto, caracterizar con exactitud la propagación de ondas en las diversas superficies. El vibrómetro de escaneo 3D ha reducido considerablemente la cantidad de tiempo necesario para caracterizar una muestra. También nos permite medir superficies curvas que son cada vez más importantes en nuestras aplicaciones. Además, desde que contamos con este equipo hemos podido aumentar nuestro uso de las mediciones láser, ricas en información que nos permitirán acelerar significativamente nuestro crecimiento.
Bibliografía:
Polytec Testimonial Feeling the invisible Laser vibrometry visualizing haptic feedback
Recuperado de: https://www.polytec.com/fileadmin/d/News_Press/OM_FL_Haptic-Displays_E_52066.pdf
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