Hænderne på, hvordan haptiske teknologier bringer berøring til VR

Næsten alle de imponerende Hvorfor Virtual Reality Technology vil sprænge dit sind om 5 år Hvorfor Virtual Reality Technology vil sprænge dit sind om 5 år Fremtiden for virtual reality inkluderer hoved-, øje- og udtryksporing, simuleret touch og meget mere. Disse fantastiske teknologier vil være tilgængelige for dig om 5 år eller mindre. VR-arbejde udført til dags dato har fokuseret på kun to sanser: dit syn og din hørelse. Det er en god start, og en, der vil gøre det muligt for masser af magtfulde oplevelser VR er ved at ændre filmfremstilling for evigt: Her er, hvordan VR er ved at ændre filmfremstilling for evigt: Sådan viser Virtual reality en ny måde at kommunikere med din seer på, og mange mennesker med en baggrund inden for traditionel filmskabelse finder mulighederne spændende. , men det er ufuldstændigt. For fuldt ud at fordybe brugere i interaktive virtual reality-miljøer, vil det være nødvendigt at oprette perifere enheder, der fuldt ud engagerer din følelse af berøring.

Desværre er berøring en meget sværere fornemmelse at narre end visionen er. Med vision er alt det, hardware skal gøre, at afbryde signaler, der rejser til øjnene. Derimod dækker hud ca. to kvadratmeter af din krop og artikulerer komplicerede tovejs-interaktioner med verden.

Dette er det organ, som haptisk teknologi forsøger at narre, og det er vanskeligt. Der er en række perifere enheder Det næste trin i immersion virtual reality - Razer Hydra & The Omni Det næste trin i immersion virtual reality - Razer Hydra & The Omni Nu hvor Oculus Rift er i hænderne på udviklere og entusiaster (læs min omfattende anmeldelse af Oculus Rift) er arbejdet med forbrugerversionen godt i gang. Nye spil udvikles, eksisterende… der findes for at hjælpe med at opbygge fordybelse, men ingen tilgængelige lige nu giver virkelig overbevisende haptiske oplevelser.

Problemet forværres, fordi hudstimulering ikke har den lange forskningshistorie, som optiske skærme gør. Den første brug af en scanningsdisplay til at genskabe et billede var i 1907, og det tog forskere og ingeniører næsten et helt århundrede at få skærme små og nøjagtige nok til at give en god virtual reality-oplevelse. Den tilsvarende rejse, ved berøring, begynder først nu.

I denne artikel skal vi udforske nogle teknologier under udvikling i dag, som kan give en følelse af berøring til VR-brugere. Jeg har klassificeret teknologierne efter kvaliteten af ​​de erfaringer, de potentielt kan give, og hvor meget arbejde der er behov for, før de kan kommercialiseres.

Buldre

En enkel måde at give feedback på rudimentær kraft er ved hjælp af enkle vibrerende motorer, af den art, der findes i rumble-pakkerne med moderne videospillecontrollere. Disse får en ny dimension i VR, da de er i stand til at forbinde specifikke vibrerende frekvenser og intensiteter med grænserne for virtuelle objekter.

Brugere kunne føle en lille blip, når de rører ved et objekt eller et UI-element, og en stærkere puls, når de aktiverer det (svarer til force-feedback på moderne smartphone-skærme).

Denne form for feedback kan også bruges til at formidle overfladenes struktur. Med en kraft-feedback-enhed på hver finger, som i tilfældet med Glove1, kunne denne teknologi være nyttig til at navigere i virtuelle grænseflader med dine lukkede øjne. Når det er sagt, giver denne teknologi en meget spartansk, funktionel tilgang til berøring og vil aldrig være meget af en fordybelsesbygger.

Hudskær Haptics

Hudforskydningsteknologi er baseret på en overraskende kendsgerning om vores følelse af berøring, som er, at vi primært bedømmer let, ikke-smertefuldt pres efter den grad, hvorpå vores hud glider rundt (noget du nemt kan teste ved forsigtigt at røre et sted på din hud og glid din finger.

Når huden strækker sig, øges følelsen af ​​tryk. Dette er praktisk, fordi hudskæring er noget, det er let at reproducere mekanisk, og kan give en illusion af vedvarende tryk, noget, der ikke er muligt med en simpel vibrerende motor.

Lige nu er den mest avancerede implementering af denne teknologi Tactical Haptics-controlleren, som fastgøres til STEM-bevægelseskontrolsystemet og giver usædvanlig trykfeedback som svar på virtuelle interaktioner som pistolophylning, bevægelse af en stav gennem et materiale og svingning af en virtuel vægt omkring på en virtuel kæde.

Resultaterne er overraskende overbevisende for enkelhedens mekanisme. Det er nemt at forestille sig, at man bygger en handske, der giver denne form for feedback med mere præcision, hvilket giver virtuelle objekter mulighed for at have densitet, hvis ikke soliditet: objekter kan føles hårde, de kan bare ikke stoppe bevægelsen i brugerens hånd.

Dette er en stor forbedring, selvom det har mange af de samme begrænsninger som simpel rumble - ren hudteknologi kan narre følelsen af ​​berøring, men det kan ikke narre propriosception (den intuitive fornemmelse af, hvor dine lemmer er, og hvordan de bevæger sig ). Selv hvis brugerens hud fortæller dem, at de har ramt noget solidt, ved deres muskler, at deres hånd bevæger sig flydende gennem det.

Robotarmaturer

Dette er den del, hvor det hele begynder at blive lidt underligt. Lad os sige, at teknologien skal være i stand til at forhindre brugere i at skubbe deres hænder gennem genstande for at skabe en mere overbevisende illusion af soliditet. Det betyder, at du er nødt til at udøve kraft på lemmet fra en eller anden ydre referenceramme.

Den enkleste måde at opnå det på er at bruge robotik, der enten fastgøres til din krop eller til jorden og forhindrer dens bevægelse uden for grænserne for den virtuelle geometri.

For bare en hånd (så brugeren kan gribe og mærke soliditeten af ​​virtuelle objekter, der ligner noget her).

Kinda skræmmende, ikke? Nå, der er mange ting, der handske stadig ikke kan gøre. Hvad hvis det objekt, du rører ved, er tungt? Hvad nu hvis det er noget solidt, som en væg, der skal modstå bevægelser fra skuldre og albuer samt håndled og fingre? Nå, så har du brug for noget lignende:

Cyberglove-websitet viser ikke en pris for enheden i videoen ovenfor, men andre systemer som den løber ind i hundreder af tusinder af dollars. En del af grunden til dette er, at kun et par industrielle og militære organisationer faktisk køber disse enheder (og i meget små numre), hvilket bringer prisen op.

Den anden del er, at dette er virkelig imponerende udstyrsudstyr på teknisk plan. Overvej, hvad der er nødvendigt for at give en overbevisende haptisk feedbackoplevelse ved at røre ved et solidt objekt. Hvis brugeren hviler sin hånd mod en virtuel væg og skubber, skal systemet registrere bevægelsen, konsultere simuleringen for at bestemme, at de berører et solidt objekt, derefter fysisk (og flydende) bevæge ankeret for at modstå bevægelsen og returnere brugerens hånd til sin oprindelige position.

Alt dette skal udføres, før hjernen kan registrere, at bevægelsen er begyndt. Det er en enorm teknisk udfordring, og selv den bedste hardware i dag opnår det ikke helt perfekt.

Den anden begrænsning her, bortset fra udfordringerne med at få produktionsomkostningerne ned på et acceptabelt niveau, har at gøre med teknologien praktisk. Bogstavelig talt at binde dig ind i en detaljeret og kraftfuld mekanisk anker har en væsentlig psykologisk barriere forbundet med det. Det er tvivlsomt, om brugere vil være villige til at klare sig med den slags ulemper regelmæssigt, selvom teknologien er sofistikeret nok til at give en god oplevelse.

Det nærmeste, denne teknologi er kommet til at blive implementeret på forbrugerniveau, er i form af enheder som Touch Something That Isn't There - Haptic Technology [MakeUseOf Explains] Touch Something That Isn't There - Haptic Technology [MakeUseOf Explains] Haptics er teknologien ved berøring. I forbindelse med et virtuelt miljø vil det betyde at være i stand til at røre ved og føle noget, der bogstaveligt talt ikke er der, men det er bestemt ikke dets eneste anvendelse. Fra ... Novint Falcon. Falken er ikke en virtual reality-enhed som sådan, i betragtning af at dens arbejdsplads kun er en sfære kun et par centimeter på tværs - når det er sagt, den giver høj præcision, kraft med tre akser, og er den eneste enhed til et forbrugerpris det gør det.

Novint har arbejdet på et armbaseret exoskelet kaldet Xio i et stykke tid, selv om det projekt ser ud til at være i limbo for tiden, efter virksomhedens økonomiske problemer.

Potentielt kunne disse slags armaturer gøres enklere og billigere ved hjælp af elektroaktive polymerer - kunstige 'muskler' lavet af plast, der sammentrækkes som reaktion på elektrisk strøm, og er generelt billigere og mere kompakte end ækvivalente lineære motorer.

Akustisk feedback

En helt uafhængig tilgang til problemet er at bruge indfasede ultralydgitre til at skabe tætte interferensmønstre i luften, som er registreret af huden som fast, og kan give faktisk modstand. Teknologien kan bruges til at projicere virtuelle 3D-objekter i luften, som brugerne kan røre ved, hvor knudepunkterne for krydsende trykbølger producerer ægte kraft på brugerens hænder.

Ved første rødme ser det muligvis ud til at være den magiske kugle til VR-haptisk feedback. Desværre er der nogle begrænsninger. Opløsning er begrænset af højttalernes frekvensrespons såvel som antallet af dem: at være i stand til at dække et stort rumligt område er ikke nødvendigvis praktisk.

Mere markant er der betydelig “lækage” - akustisk energi danner utilsigtede knudepunkter og halvknudepunkter i rummet, hvor der skabes forsætlige mønstre (noget du kan se i olien). Det pres, der produceres af dette system, er meget svagt: At forsøge at skalere dem op til volumener, der kan udøve flere kilo tryk på din krop, ville indebære en enorm mængde energi og kunne være fysisk farligt for brugerne.

Nervestimulering

Til sidst vil vi tage et øjeblik at røre ved en mere spekulativ teknologi. En måde (nogle mennesker vil argumentere for den ultimative måde) til at engagere sig med følelsen af ​​berøring er ved direkte at stimulere nerverne i brugerens arme, rygsøjle eller hjerne. Ved at gøre dette er det muligt at narre berøring, propriosception, hele ni yards - inklusive fornemmelser som temperatur, der kan være upraktisk at opnå med en dragt eller robotarmatur. Potentielt kunne forskere gøre alt dette uden at kræve de besværlige robotdragter eller fasede akustiske gitter.

Der er allerede blevet udført noget arbejde på denne front inden for protetiske lemmer, direkte ved at tappe på afskårne nerver for at sende signaler tilbage fra sensorer i protesen, for at skabe en syntetisk følelse af berøring.

Hjernestimulering kan give lignende feedback. Det grundlæggende problem med disse slags teknologier er, at de kræver nogenlunde invasiv kirurgi for at være i stand til at installere nervegrænsefladerne - kirurgi, der er uacceptabelt risikabelt for sunde mennesker. De er også temmelig rå og grovkornede, hvad angår præcisionen af ​​feedbacken.

For at disse skal være praktiske som et haptisk interface-paradigme, skal du virkelig være i stand til at få opløsningen af ​​elektrode-grænsefladen meget finere og reducere indgriben i proceduren. Der er nogle få tilgange her, lige fra nanoteknologi Hvordan nanoteknologi ændrer medicinens fremtid Hvordan nanoteknologi ændrer medicinens fremtid Potentialet for nanoteknologi er hidtil uset. Ægte universelle samlere vil indlede et dybt skift i den menneskelige tilstand. Der er selvfølgelig stadig en lang vej at gå. y til optogenetik Hjernekontrol med lys: Det er muligt med optogenetik Hjernekontrol med lys: Det er muligt med optogenetik I løbet af de sidste par år dukker en ny teknik kaldet "optogenetik" op, hvilket kan hjælpe forskere med at afsløre hjernens hemmeligheder (og behandle dets lidelser) på en helt ny måde. , men det synes sikkert at sige, at store gennembrud er usandsynlige i de næste par år.

Fremtiden med berøring

Det er stadig tidlige dage for virtual reality, og der er endnu ikke bred forbrugernes efterspørgsel efter haptiske grænseflader - men der vil være. Det enorme guldrusel med virtual reality-innovation er først nu i gang, og vi vil sandsynligvis se alle disse teknikker massivt forbedret i årene fremover.

Når det er sagt, virker ingen af ​​de nuværende teknologier perfekte. Alle af dem har mindst en alvorlig ulempe, enten hvad angår den sensationskvalitet, de kan give, eller hindringerne for deres anvendelse. Det er helt muligt, at det eventuelle “Perfekt” løsning på VR-input er ikke opfundet endnu. Hvis det er tilfældet, er jeg ivrig efter at se, hvad udviklere kommer på det næste.

Er du begejstret for haptiske VR-grænseflader? Er der et spændende produkt eller teknologi, som vi ikke dækker her? Fortæl os det i kommentarerne!

Billedkreditter: Håndfangst via Shutterstock