Тактильные иллюзии в воздухе: Обзор ультразвуковых технологий

Автор: Денис Аветисян

В статье представлен ретроспективный анализ развития ультразвуковой тактильной обратной связи, охватывающий как фундаментальные исследования, так и современные применения в различных областях.

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"

Обзор эволюции, текущих приложений и перспектив развития ультразвуковой тактильной обратной связи в контексте взаимодействия человека и компьютера.

Несмотря на кажущуюся футуристичность, тактильное взаимодействие в воздухе долгое время оставалось недостижимой целью. В статье ‘A Retrospective on Ultrasound Mid-Air Haptics in HCI’ предпринята попытка всестороннего анализа эволюции технологии тактильной обратной связи посредством сфокусированного ультразвука. Ключевым результатом стало подтверждение перспективности данного подхода для создания новых форм взаимодействия человек-компьютер, охватывающих автомобильную промышленность, смешанную реальность и адаптивные интерфейсы. Какие новые горизонты откроет дальнейшее развитие ультразвуковой тактильной обратной связи и ее интеграция с другими сенсорными модальностями?

За гранью физического контакта: Новая эра тактильной обратной связи

Традиционные технологии тактильной обратной связи, основанные на непосредственном физическом контакте, сталкиваются с существенными ограничениями в ряде критически важных сценариев. В стерильных средах, таких как операционные залы или лаборатории, любое физическое взаимодействие может представлять риск загрязнения. Аналогично, в задачах удаленного управления, например, при телеприсутствии или дистанционной хирургии, необходимость физического контакта исключает возможность тактильного восприятия объектов и материалов. Эти ограничения существенно снижают эффективность и реалистичность взаимодействия, подчеркивая потребность в альтернативных решениях, способных передавать тактильные ощущения без прямого прикосновения. Ограниченность традиционных подходов стимулирует разработку инновационных методов, позволяющих расширить возможности тактильного взаимодействия в различных областях применения.

Технология тактильной обратной связи в воздухе представляет собой принципиально новый подход к взаимодействию человека с цифровым миром. В отличие от традиционных систем, требующих физического контакта, она позволяет создавать ощущение прикосновения без непосредственного касания. Это открывает беспрецедентные возможности для разработки интерфейсов, которые не требуют физических устройств или поверхностей. Представьте себе управление виртуальными объектами, ощущение текстур в дополненной реальности или даже тактильную обратную связь при удаленном взаимодействии — всё это становится возможным благодаря отделению восприятия от необходимости физического контакта. Данный подход обещает революционизировать сферы от игровой индустрии и дизайна до медицины и промышленной робототехники, предлагая интуитивно понятные и захватывающие пользовательские опыты.

Данная технология использует принцип акустической радиационной силы для создания тактильных ощущений без физического контакта. Суть заключается в фокусировке ультразвуковых волн в определенной точке пространства. Эти волны оказывают небольшое давление на кожу, воспринимаемое как прикосновение или даже более сложные тактильные ощущения, такие как текстура или форма. Регулируя частоту, амплитуду и фазу ультразвука, можно точно контролировать силу и характер тактильного воздействия, создавая иллюзию прикосновения к виртуальным объектам или поверхности. Данный метод позволяет создавать интерактивные интерфейсы и системы управления, где пользователь взаимодействует с виртуальным миром без необходимости касаться каких-либо физических устройств, что особенно важно в стерильных условиях или для дистанционного управления робототехникой.

Прецизионное управление: Синтез и контроль ультразвука

Для создания локализованных тактильных ощущений в системах тактильной обратной связи на основе ультразвука требуется прецизионный синтез акустических полей. Этот синтез основывается на формировании интерференционной картины ультразвуковых волн, где области конструктивной интерференции создают зоны повышенного давления, воспринимаемые кожей как тактильные ощущения. Точность позиционирования этих зон давления напрямую влияет на четкость и различимость создаваемых тактильных элементов. Управление амплитудой и фазой ультразвуковых излучателей позволяет формировать сложные акустические поля с высокой пространственной разрешающей способностью, что критически важно для реализации многоточечного тактильного взаимодействия.

Синтез ультразвуковых полей для создания тактильных ощущений в воздухе опирается на математический аппарат линейной алгебры и математического анализа. Линейная алгебра используется для представления и манипулирования векторами, описывающими амплитуду и фазу ультразвуковых волн, а также для решения систем уравнений, необходимых для расчета интерференционной картины. Математический анализ, в частности дифференциальное и интегральное исчисление, необходим для моделирования распространения звуковых волн, расчета их интенсивности и определения зон фокусировки. Для точного управления ультразвуковым полем применяются методы расчета, включающие $ \nabla $ (оператор набла) для определения градиента звукового давления и $ \iiint $ (тройной интеграл) для расчета энергии звукового поля в заданном объеме. Точное моделирование и манипулирование этими параметрами позволяет создавать локализованные точки тактильного воздействия.

Исследования показали возможность генерации до пяти одновременно воспринимаемых тактильных точек с использованием сфокусированного ультразвука, что демонстрирует высокую точность данной технологии. Для эффективного управления тактильными ощущениями необходима разработка методов синтеза фокусных точек, позволяющих создавать дискретные тактильные элементы. Данный подход подразумевает точное моделирование и управление акустическими волнами для формирования отдельных очагов давления, воспринимаемых кожей как отдельные точки контакта. Реализация эффективного синтеза фокусных точек требует учета параметров ультразвукового излучателя, расстояния до объекта, а также характеристик тканей, через которые распространяется ультразвук. Оптимизация алгоритмов синтеза направлена на минимизацию интерференции между фокусными точками и максимизацию четкости тактильных ощущений.

От точек к объему: Композиция тактильных ощущений

Объемные тактильные формы расширяют возможности ультразвукового тактильного отображения (UMH) за счет алгоритмического синтеза дискретных фокальных точек в непрерывные ощущения. Вместо стимуляции отдельных точек, система создает иллюзию объема, комбинируя множество ультразвуковых фокусов. Этот процесс требует точного расчета координат и интенсивности каждого фокуса для формирования желаемой формы, воспринимаемой пользователем как единое тактильное ощущение. Эффективность данного подхода зависит от плотности и точности позиционирования фокальных точек, а также от способности системы поддерживать стабильность и когерентность создаваемой формы во времени.

Алгоритмическое формирование волюметрических тактильных форм из отдельных точек требует значительных вычислительных ресурсов. Для обеспечения работы в реальном времени необходима оптимизация алгоритмов и применение эффективных методов рендеринга. В частности, обработка и передача данных для каждого фокусного элемента, а также расчет интерполяции между точками для создания непрерывного ощущения, представляют собой вычислительно сложные задачи. Эффективность алгоритмов напрямую влияет на максимальную сложность формируемых фигур и частоту обновления тактильного сигнала, что критически важно для создания убедительных и реалистичных ощущений.

В ходе небольшого пользовательского исследования (N=6) участники в большинстве случаев успешно идентифицировали фигуру из пяти предложенных вариантов. Точность распознавания напрямую зависит от конструкции и калибровки используемых преобразователей (Transducer Design), поскольку именно они обеспечивают точную доставку необходимой акустической энергии для формирования тактильных ощущений, соответствующих заданной форме. Оптимальная конструкция и калибровка позволяют минимизировать искажения и обеспечить достоверное восприятие пользователем создаваемых объёмных тактильных форм.

Реальный эффект: Области применения и горизонты расширения

Интеграция ультразвуковой тактильной обратной связи в смешанной реальности открывает новые горизонты для повышения погружения и интуитивного взаимодействия. Данная технология позволяет создавать ощущение прикосновений в воздухе, не требуя физического контакта с устройствами. Это достигается за счет фокусировки ультразвуковых волн, которые создают давление на кожу, воспринимаемое как тактильное ощущение. В смешанной реальности это позволяет пользователю «чувствовать» виртуальные объекты, усиливая реалистичность происходящего и обеспечивая более естественное взаимодействие с цифровым контентом. Например, можно почувствовать форму виртуальной кнопки или сопротивление при перемещении виртуального объекта, значительно обогащая пользовательский опыт и открывая возможности для более сложных и интуитивно понятных интерфейсов.

В автомобильной сфере ультразвуковая тактильная обратная связь в воздухе (UMH) открывает новые возможности для повышения безопасности водителя. Система способна передавать предупреждающие сигналы и оповещения, не отвлекая взгляд от дороги. Вместо традиционных звуковых сигналов или визуальных уведомлений, UMH создает ощутимые тактильные ощущения в пространстве вокруг водителя, например, предупреждая о приближении к препятствию или о выходе из полосы движения. Такой подход позволяет избежать перегрузки органов чувств и снизить время реакции, поскольку информация передается непосредственно через осязание, дополняя существующие системы безопасности и обеспечивая более интуитивное и эффективное взаимодействие водителя с автомобилем.

Ультразвуковая тактильная обратная связь в воздухе (UMH) открывает новые горизонты в коммуникации для людей с нарушениями зрения. Данная технология позволяет создавать тактильные представления текста Брайля непосредственно в воздухе, обеспечивая доступ к информации без необходимости использования традиционных рельефных носителей. Исследования показали, что точность позиционирования тактильных точек составляет в среднем 8.5 мм (N=14), что обеспечивает достаточную четкость для восприятия информации. Помимо этого, UMH предлагает возможности для передачи эмоциональной окраски сообщений, позволяя, например, передавать не только буквы, но и нюансы, связанные с настроением автора, через изменение интенсивности или формы тактильного сигнала. Такой подход может значительно расширить возможности коммуникации и эмоционального взаимодействия для людей с ослабленным зрением.

Расширяя горизонты: Будущее тактильных технологий

Ультразвуковая терапия, потенциально способная оказывать целенаправленное воздействие на ткани организма, может быть значительно улучшена благодаря технологиям UMH (Ultrasound Modulation Holography), позволяющим точно моделировать и визуализировать акустические поля. Данные технологии обеспечивают возможность формирования сложных трехмерных силовых полей, что критически важно для точного и безопасного воздействия ультразвука. Вместо рассеянного воздействия, UMH позволяет фокусировать ультразвуковую энергию в заданных точках, повышая эффективность лечения и минимизируя побочные эффекты. Точное управление акустическим полем открывает перспективы для неинвазивной хирургии, адресной доставки лекарств и стимуляции регенерации тканей, значительно расширяя возможности современной медицины.

Исследования разрешения восприятия играют ключевую роль в совершенствовании качества и достоверности тактильной обратной связи. Ученые стремятся определить минимальные различимые изменения в стимулах, воздействующих на кожу, чтобы создать более реалистичные и убедительные ощущения. Понимание пределов человеческого восприятия позволяет оптимизировать параметры тактильных устройств, например, частоту и амплитуду вибраций, или силу давления, для достижения максимальной иллюзии осязания. Работа в этой области направлена на то, чтобы обеспечить более детальное и точное воспроизведение текстур, форм и движений, что особенно важно для приложений виртуальной реальности, телеробототехники и протезирования, где достоверная тактильная информация критически важна для взаимодействия с виртуальным или удаленным окружением.

Развитие интерактивных методов рендеринга открывает путь к созданию принципиально новых, более захватывающих ощущений. Исследования в этой области, подтвержденные значительным количеством цитирований ключевых работ (Картер и др., 2013; Лонг и др., 2014; Уилсон и др., 2014 — от 140 до 760 цитирований по данным Google Scholar), демонстрируют растущий интерес к созданию реалистичных тактильных взаимодействий. Эти технологии позволяют пользователю не просто «видеть» виртуальный объект, но и ощущать его текстуру, форму и вес, что значительно повышает уровень погружения и реалистичности в различных приложениях — от виртуальной реальности и игр до медицинских симуляций и обучения.

Исследование эволюции ультразвуковой тактильной обратной связи в контексте взаимодействия человека и компьютера демонстрирует, что кажущаяся сложность технологий часто скрывает фундаментальную простоту лежащих в их основе принципов. Подобно тому, как фокусировка акустической радиационной силы создает ощутимые формы в воздухе, так и любое эффективное решение требует редукции к наиболее существенным элементам. Как заметил Дональд Кнут: «Отладка — это как поиск иглы в стоге сена, но стог сена — это ваш код». Эта фраза отражает суть стремления к ясности и лаконичности, принципам, которые лежат в основе разработки как ультразвуковой тактильной обратной связи, так и любого сложного программного обеспечения. Поиск оптимального решения требует удаления всего лишнего, фокусируясь на точности и эффективности.

Что дальше?

Оглядываясь на эволюцию ультразвуковой тактильной обратной связи в воздухе, становится очевидным: сложность не всегда ведет к прогрессу. Иллюзия «объема», создаваемая акустическими волнами, по-прежнему требует значительной отточки. Текущие ограничения в разрешении и точности фокусировки — не технические препятствия, а приглашение к упрощению. Необходимо отказаться от стремления к «полному погружению» в пользу честной демонстрации возможностей технологии.

Междисциплинарное сотрудничество, упомянутое в настоящей работе, — не просто желательный фактор, а необходимость. Физики, инженеры, психологи и дизайнеры должны говорить на одном языке, признавая, что восприятие тактильных ощущений — это не только вопрос силы акустического излучения, но и сложный нейрофизиологический процесс. Важнее не «создать ощущение», а понять, как мозг интерпретирует полученные сигналы.

Будущее этой области не в увеличении количества «виртуальных объектов», а в их качестве. Упор на тактильную ясность, а не на визуальную иллюзию, может привести к созданию действительно полезных и интуитивно понятных интерфейсов. Иногда, чтобы увидеть дальше, нужно отбросить все лишнее.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.07613.pdf

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

Смотрите также:

2025-12-09 09:29