Осязаемая виртуальность: устройство для тактильного взаимодействия нового поколения

от

Автор: Денис Аветисян

Исследователи представили гибкое, настраиваемое устройство, способное передавать сложные тактильные ощущения в виртуальной реальности и других сферах взаимодействия человека и компьютера.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"
Устройство, использующее захваченное изображение руки пользователя для создания индивидуальной модели и изготовленное из гибких материалов с применением печатных чернил на основе жидкого металла, способно воссоздавать реалистичные тактильные ощущения при взаимодействии с виртуальными объектами, имитируя ощущение удержания реальных предметов даже при отсутствии физического контакта.
Устройство, использующее захваченное изображение руки пользователя для создания индивидуальной модели и изготовленное из гибких материалов с применением печатных чернил на основе жидкого металла, способно воссоздавать реалистичные тактильные ощущения при взаимодействии с виртуальными объектами, имитируя ощущение удержания реальных предметов даже при отсутствии физического контакта.

Разработанное устройство использует печатные чернила на основе жидкого металла для создания пространственно точной и многомерной электротактильной обратной связи.

Несмотря на важность тактильной обратной связи для реалистичного взаимодействия человека и машины, существующие устройства часто громоздки и ограничивают свободу движений. В данной работе, посвященной разработке ‘A User-customized and Untethered Electro-haptic Device for Immersive Human-Machine Interaction’, представлено гибкое и настраиваемое электротактильное устройство, изготовленное с использованием печатных чернил на основе жидкого металла. Устройство обеспечивает точную и многомерную тактильную стимуляцию, позволяя создавать более глубокий эффект погружения в виртуальной реальности и других сценариях взаимодействия. Сможет ли данная технология стать ключевым элементом в создании интуитивно понятных и реалистичных интерфейсов будущего?

Прикосновение к Виртуальности: Преодолевая Границы Погружения

Современные системы виртуальной реальности, несмотря на впечатляющие визуальные и звуковые возможности, зачастую не способны предоставить пользователю убедительную тактильную обратную связь. Это существенно ограничивает ощущение полного погружения и реалистичности взаимодействия с виртуальным миром. Отсутствие ощущения прикосновения к виртуальным объектам делает их восприятие неполным, лишая пользователя возможности полноценно ощутить их текстуру, вес или форму. В результате, взаимодействие с виртуальной средой становится менее интуитивным и эффективным, препятствуя развитию навыков и снижая общее качество опыта. Ученые и инженеры активно работают над созданием технологий, способных восполнить этот пробел, стремясь к созданию реалистичной тактильной обратной связи, которая позволит пользователю ощутить виртуальный мир так же, как и реальный.

Отсутствие тактильных ощущений в виртуальной реальности серьёзно ограничивает восприятие виртуальных объектов как реальных. Без возможности почувствовать текстуру, вес или форму, объекты кажутся нематериальными, что снижает уровень погружения и затрудняет освоение новых навыков. Исследования показывают, что передача тактильной информации критически важна для развития моторики и координации движений. Например, при обучении хирургическим навыкам или управлении сложным оборудованием, отсутствие обратной связи от виртуальной среды может существенно замедлить процесс обучения и снизить точность действий. Виртуальные объекты, лишенные ощущения прикосновения, не позволяют пользователю развить интуитивное понимание их свойств, что препятствует эффективному взаимодействию и полному погружению в виртуальный мир.

Существующие технологии тактильной обратной связи, несмотря на значительный прогресс, часто сталкиваются с серьезными ограничениями. Большинство устройств либо громоздки и неудобны в использовании, ограничивая свободу движений и реалистичность взаимодействия, либо отличаются высокой стоимостью, делая их недоступными для широкого круга пользователей. Более того, многие системы не способны достоверно воспроизводить сложные текстуры и тонкие изменения силы, что существенно снижает уровень погружения в виртуальную среду. Воссоздание ощущения прикосновения к различным материалам — от шелка до наждачной бумаги — требует высокой точности и разрешения, которые пока не всегда достижимы. Таким образом, поиск компактных, доступных и высокоточных решений в области тактильной обратной связи остается ключевой задачей для создания действительно иммерсивных виртуальных реальностей.

Исследование демонстрирует соответствие между реальными жестами руки при взаимодействии с объектом, виртуальными взаимодействиями в VR и соответствующей электротактильной стимуляцией, применяемой для имитации тактильных ощущений при захвате, удержании или сжатии предмета.
Исследование демонстрирует соответствие между реальными жестами руки при взаимодействии с объектом, виртуальными взаимодействиями в VR и соответствующей электротактильной стимуляцией, применяемой для имитации тактильных ощущений при захвате, удержании или сжатии предмета.

Индивидуальное Прикосновение: Адаптация к Уникальной Руке

Для создания индивидуально адаптируемого устройства используется технология, основанная на данных о геометрии руки пользователя, полученных из единичного изображения. Данный подход позволяет сформировать уникальную форму устройства, соответствующую анатомическим особенностям конкретного пользователя. В процессе обработки изображения происходит извлечение ключевых параметров, таких как длина, ширина и окружность пальцев, а также общая форма ладони. Эти данные служат основой для генерации 3D-модели устройства, обеспечивающей оптимальное прилегание и комфорт при использовании.

Персонализация устройства позволяет добиться максимального комфорта и точной стимуляции тактильных рецепторов. Индивидуальное соответствие форме руки обеспечивает оптимальное распределение давления и снижает риск раздражения кожи. Точная активация механорецепторов, включая рецепторы давления, вибрации и растяжения, позволяет создать более реалистичные и интуитивно понятные тактильные ощущения. Это достигается за счет адаптации формы и положения электродов к уникальной геометрии руки пользователя, что улучшает качество передачи информации через тактильную систему и повышает эффективность взаимодействия с устройством.

Для оптимизации геометрии устройства и расположения электродов применяется метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ позволяет моделировать распределение механических напряжений и электрических полей, возникающих при воздействии на кожу руки. Это позволяет точно рассчитать оптимальную форму устройства и положение электродов для обеспечения эффективной стимуляции тактильных рецепторов при минимальном давлении и максимальной безопасности. В процессе моделирования учитываются индивидуальные параметры руки, полученные из входного изображения, а также физические свойства материалов устройства и кожи. Результаты МКЭ используются для итеративной оптимизации конструкции, обеспечивая равномерное и контролируемое воздействие на нервные окончания и минимизируя риск дискомфорта или повреждений.

Алгоритм позволяет создавать индивидуальные устройства для стимуляции, начиная с изображения руки и заканчивая изготовленным и примененным устройством, как показано на примерах для трех разных пользователей.
Алгоритм позволяет создавать индивидуальные устройства для стимуляции, начиная с изображения руки и заканчивая изготовленным и примененным устройством, как показано на примерах для трех разных пользователей.

Материалы и Создание: Гибкий Проводящий Интерфейс

В основе нашего устройства используется жидкий металлический чернила, представляющие собой печатаемый проводящий материал, позволяющий создавать гибкие и растяжимые схемы. Данные чернила содержат микро- и наночастицы металла, диспергированные в носителе, что обеспечивает высокую электропроводность при сохранении механической гибкости. Процесс печати позволяет формировать проводящие дорожки и элементы непосредственно на гибких подложках, исключая необходимость традиционных методов травления или нанесения покрытий. Состав чернил оптимизирован для обеспечения стабильной проводимости при многократных деформациях и растяжениях, что критически важно для приложений, связанных с динамическими движениями и изменениями формы.

В состав чернил на основе жидкого металла добавляется монтмориллонитовая глина с целью улучшения их технологических характеристик и эксплуатационных свойств. Монтмориллонит, являясь слоистым алюмосиликатом, повышает вязкость чернил, обеспечивая лучшую форму стабильности при нанесении методом струйной печати и предотвращая растекание. Кроме того, включение глины способствует улучшению механической стабильности и адгезии чернил к гибким подложкам, что критически важно для создания долговечных и надежных проводящих элементов. Оптимальная концентрация монтмориллонита позволяет достичь необходимого баланса между текучестью для печати и прочностью полученного слоя, тем самым повышая общую производительность устройства.

Использование жидких металлических чернил в сочетании с гибкими подложками позволяет устройству повторять сложную кривизну кисти руки. Это достигается за счет высокой эластичности и податливости материалов, обеспечивающих плотный контакт с поверхностью кожи. Максимальное прилегание увеличивает площадь передачи сигнала и улучшает эффективность работы интерфейса, обеспечивая более точное и надежное восприятие тактильных ощущений и передачу управляющих сигналов.

Процесс изготовления устройства включает в себя прецизионную печать и последующую сборку, обеспечивающие создание надежного тактильного интерфейса. Используется технология струйной печати для нанесения проводящих слоев на гибкую подложку, после чего производится лазерная резка для формирования необходимых контуров. Компоненты собираются вручную с высокой точностью, а соединения укрепляются специальным адгезивом, обеспечивающим долговечность и устойчивость к деформациям. Контроль качества осуществляется на каждом этапе производства, включая визуальный осмотр и электрические тесты для подтверждения работоспособности и соответствия заданным характеристикам.

Печатаемая проводящая чернила из жидкого металла создается путем диспергирования жидкого металла в монмориллоните.
Печатаемая проводящая чернила из жидкого металла создается путем диспергирования жидкого металла в монмориллоните.

Воссоздавая Прикосновение: Электротактильная Стимуляция и Валидация

Устройство обеспечивает пространственно точную, многомерную тактильную обратную связь посредством электротактильной стимуляции, напрямую активируя нервные окончания в коже. Электротактильная стимуляция предполагает применение слабых электрических импульсов к участкам кожи, вызывая ощущение прикосновения без физического контакта. Точность позиционирования обеспечивается за счет использования массива электродов, каждый из которых может быть индивидуально активирован. Многомерность достигается путем изменения параметров электрических импульсов (амплитуда, частота, длительность) и одновременной активации нескольких электродов, позволяя создавать сложные тактильные ощущения, имитирующие текстуру, форму и жесткость виртуальных объектов. Данный подход позволяет передавать тактильную информацию непосредственно к нервным окончаниям, минуя механические посредники, что обеспечивает высокую точность и скорость отклика.

Для создания широкого спектра тактильных ощущений используется модуляция формы электрических импульсов. Изменяя частоту ($f$) и амплитуду ($A$) электрических сигналов, подаваемых на нервные окончания кожи, достигается дифференцированное восприятие. Более высокая частота может имитировать ощущение вибрации или текстуры, в то время как изменение амплитуды позволяет регулировать интенсивность ощущения — от легкого прикосновения до более сильного давления. Комбинация этих параметров позволяет генерировать различные тактильные ощущения, включая ощущение шероховатости, мягкости, или даже ощущение формы виртуального объекта.

Для обеспечения реалистичной тактильной отдачи в виртуальной реальности используется система отслеживания движений рук, позволяющая синхронизировать взаимодействие пользователя с виртуальными объектами и доставку соответствующих тактильных ощущений. Система определяет положение и ориентацию рук в пространстве, что позволяет точно сопоставить моменты касания или взаимодействия с виртуальными объектами с активацией электротактильной стимуляции. Эта синхронизация критически важна для создания иллюзии физического контакта и повышения уровня погружения в виртуальную среду, поскольку задержка между визуальным взаимодействием и тактильной обратной связью может нарушить ощущение реалистичности. Точное отслеживание позволяет доставлять тактильные ощущения в нужной точке кожи, соответствующей месту взаимодействия с виртуальным объектом.

Результаты пользовательского тестирования подтверждают эффективность устройства в повышении уровня погружения, улучшении манипуляций с виртуальными объектами и обеспечении реалистичной тактильной обратной связи. В частности, наблюдалось увеличение точности стрельбы в ходе тестирования (см. рис. 13), что свидетельствует о положительном влиянии тактильной стимуляции на координацию действий пользователя в виртуальной реальности. Данные указывают на то, что предоставление тактильных ощущений позволяет улучшить восприятие виртуального окружения и повысить эффективность взаимодействия с ним.

Виртуальная реальность успешно воспроизводит широкий спектр естественных взаимодействий рук с предметами, таких как регулировка радио, удержание шара для боулинга, кружки, пульта, фонарика и ощущение воздушного потока, при этом фиксируются участки стимуляции электродов на руке.
Виртуальная реальность успешно воспроизводит широкий спектр естественных взаимодействий рук с предметами, таких как регулировка радио, удержание шара для боулинга, кружки, пульта, фонарика и ощущение воздушного потока, при этом фиксируются участки стимуляции электродов на руке.

За Гранью Игры: Будущее Тактильного Усиления в AR/XR

Разработанное электротактильное устройство демонстрирует значительный потенциал в области тактильного дополнения для широкого спектра приложений, простираясь далеко за пределы игровой индустрии. Помимо повышения реалистичности виртуальных развлечений, технология открывает новые возможности в сфере профессиональной подготовки, позволяя создавать высокоточные симуляторы для обучения хирургов, пилотов и других специалистов. Не менее перспективным является применение в удаленном управлении, где тактильная обратная связь обеспечивает более интуитивное и безопасное взаимодействие с роботизированными системами, например, при проведении опасных работ или выполнении задач в труднодоступных местах. Компактность и малый вес устройства позволяют интегрировать его в носимые системы, обеспечивая пользователю естественный и иммерсивный опыт взаимодействия с цифровым миром.

Реалистичная симуляция текстур, форм и сил играет ключевую роль в усилении эффекта присутствия и погружения в виртуальной и дополненной реальности (AR/XR). Восприятие тактильных ощущений, неотличимых от реальных, позволяет пользователю более полно взаимодействовать с виртуальным окружением, стирая границы между цифровым и физическим мирами. Это достигается благодаря точной передаче информации о поверхности объектов — от шероховатости камня до гладкости шелка — и силам, воздействующим на пользователя при взаимодействии с виртуальными объектами. Усиление тактильной обратной связи значительно повышает реалистичность происходящего, что особенно важно в приложениях, требующих высокой степени точности и координации, например, в хирургических симуляторах или при управлении роботами на расстоянии.

Разработанное устройство отличается исключительно компактными размерами и минимальным весом — всего 48 грамм — при толщине, не превышающей стандартного предметного стекла для микроскопа. Такие габариты позволяют легко интегрировать его в носимые системы дополненной и виртуальной реальности, открывая новые возможности для тактильного взаимодействия. Благодаря этому, пользователи смогут не только видеть и слышать виртуальный мир, но и ощущать его текстуры и формы, что значительно повышает уровень погружения и реалистичности опыта. Миниатюрность и лёгкость устройства являются ключевыми факторами для создания комфортных и функциональных AR/XR-систем, расширяющих границы взаимодействия человека с цифровой средой.

В дальнейшем планируется расширение спектра тактильных ощущений, воспроизводимых устройством, включая более сложные текстуры и динамические изменения силы. Параллельно ведется работа над повышением долговечности и надежности компонентов, что критически важно для повседневного использования в различных сценариях. Особое внимание уделяется изучению потенциальных возможностей применения технологии в сфере здравоохранения и реабилитации, в частности, для разработки систем тактильной обратной связи, способствующих восстановлению моторики и улучшению сенсорного восприятия у пациентов, а также для дистанционного управления протезами и роботизированными системами с повышенной точностью и реалистичностью.

Представлен носимый на запястье электротактильный стимулятор, включающий в себя само устройство и принципиальную схему его конструкции.
Представлен носимый на запястье электротактильный стимулятор, включающий в себя само устройство и принципиальную схему его конструкции.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует, что системы взаимодействия человека и машины, подобно живым организмам, подвержены изменениям и требуют адаптации. Создание пользовательских электротактильных устройств, использующих печатные чернила на основе жидких металлов, открывает новые возможности для персонализации и повышения эффективности взаимодействия. Этот подход позволяет создавать системы, способные динамически реагировать на потребности пользователя, обеспечивая более глубокое и реалистичное погружение в виртуальную реальность. Как однажды заметил Линус Торвальдс: «Плохой код подобен раку — он растёт и распространяется, пока не поглотит всё». Точно так же, устаревшие или неадаптированные системы взаимодействия могут снизить эффективность и удовлетворенность пользователя, поэтому важно стремиться к созданию гибких и эволюционирующих решений.

Что дальше?

Представленная работа, безусловно, демонстрирует изящный подход к проблеме тактильной обратной связи, однако, как и любая система, она не избежала влияния времени. Персонализация, достигнутая посредством печати жидкими металлами, открывает двери, но и создает новые ограничения. Вопрос не в том, насколько точно можно воспроизвести прикосновение, а в том, как долго эта точность сохранится под воздействием неизбежной деградации материалов. Системы учатся стареть достойно, и эта, несомненно, приобретет свой собственный, уникальный почерк.

Вместо погони за абсолютной реалистичностью, возможно, стоит обратить внимание на более тонкие аспекты восприятия. Мудрые системы не борются с энтропией — они учатся дышать вместе с ней. Вместо того, чтобы стремиться к идеальному воспроизведению тактильных ощущений, следует изучать, как неточности и вариации могут обогатить опыт взаимодействия. Иногда наблюдение — единственная форма участия, и, возможно, дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение того, как пользователи адаптируются к несовершенству, а не на его устранение.

Будущие работы могут сосредоточиться на разработке самовосстанавливающихся или самоадаптирующихся материалов, способных компенсировать естественную деградацию. Однако, более глубокий вопрос заключается в том, как интегрировать эти системы в более широкую экосистему взаимодействия, учитывая не только тактильные ощущения, но и когнитивные и эмоциональные аспекты опыта. Время — не метрика, а среда, в которой существуют системы, и эта система, безусловно, найдет свой способ в ней процветать.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.20578.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-26 08:25