Ve filmu Stevena Spielberga z roku 2018 Ready Player One, který vychází z knihy Ernesta Cline z roku 2011, lidé vstupují do pohlcujícího světa virtuální reality zvaného OASIS. To, co v tomto sci-fi filmu nejvíce přitahovalo futuristickou technologii, nebyly brýle VR, které se zdají být tak daleko od náhlavních souprav, které v současnosti prodávají Oculus, HTC a další. Bylo to zasnoubení smyslu mimo zrak a zvuk: dotek.
Postavy nosily rukavice se zpětnou vazbou, které jim umožňovaly cítit imaginární objekty ve svých rukou. Mohli upgradovat na celotělové obleky, které reprodukovaly sílu úderu na hrudník nebo hladil pohlazení. A přesto tyto schopnosti nemusí být tak daleko, jak si představujeme.
Spoléháme na informace o dotyku - nebo „haptické“ - nepřetržitě, a to způsoby, které ani vědomě nerozpoznáváme. Nervy v naší kůži, kloubech, svalech a orgánech nám říkají, jak jsou naše těla umístěna, jak pevně držíme něco, jaké je počasí, nebo že milovaná osoba projevuje náklonnost prostřednictvím objetí. Inženýři po celém světě nyní pracují na tom, aby vytvořili realistické dotykové pocity, pro videohry a další. Poutavý kontakt v interakcích člověk-počítač by posílil robotickou kontrolu, fyzickou rehabilitaci, vzdělávání, navigaci, komunikaci a dokonce i online nakupování.
"V minulosti haptici dokázali dělat věci znatelnými, vibracemi v telefonu nebo rachotem v herních ovladačích, " říká Heather Culbertson, počítačový vědec na University of Southern California. "Ale nyní došlo k posunu směrem k tomu, aby věci, které se cítí přirozenější, více napodobovaly pocit přírodních materiálů a přirozených interakcí."
Budoucnost není jen jasná, ale strukturovaná.
* * *
Haptické zařízení lze rozdělit do tří hlavních typů: uchopitelné, nositelné a dotykové. Pro lepší pochopení myslete joysticky. Jedna jasná aplikace je v provozu robotů, takže operátor může cítit, jak velký odpor robot tlačí.
Vezměte chirurgické roboty, které umožňují lékařům operovat z druhé strany světa, nebo manipulovat s nástroji příliš malými nebo v místech příliš těsných na ruce. Četné studie ukázaly, že přidání hmatové zpětné vazby ke kontrole těchto robotů zvyšuje přesnost a snižuje poškození tkáně a dobu provozu. Ones s haptickou zpětnou vazbou také umožňují lékařům trénovat pacienty, kteří existují pouze ve virtuální realitě a zároveň získají pocit skutečného řezání a šití. Jeden z Culbertsonových studentů v současné době vyvíjí zubní simulátory, takže první chybné vrtání zubního studenta není na skutečném zubu.
Inženýři staví systémy pro přenos realistických dotykových pocitů do videoher, robotických ovládacích prvků a dalších, s řadou možných aplikací. (S laskavým svolením známého časopisu) Získání pocitu, co robot pod vaším velením dělá, by také bylo užitečné pro zneškodnění bomb nebo vytažení lidí ze zhroucených budov. Nebo k opravě satelitu, aniž by vyhovovalo kosmické lodi. Dokonce i Disney zkoumal haptické telepresence roboty pro bezpečné interakce člověk-robot. Vyvinuli systém, který má pneumatické trubice spojující robotické paže humanoidů se zrcadlovou sadou zbraní, které může člověk uchopit. Osoba může manipulovat se zrcadlem bot tak, aby první bota držel balón, zvedl vejce nebo poplácal dítě po tvářích.
V menším měřítku laboratoř robotisty Jamie Paika ve Švýcarském federálním technologickém institutu v Lausanne (EPFL) vyvinula přenosné haptické rozhraní zvané Foldaway. Zařízení o velikosti a tvaru čtvercové pivní tácek mají tři zavěšená ramena, která se vynoří a setkávají se uprostřed. (Stefano Mintchev, postdoktor v laboratoři, je nazývá „miniaturizovanými roboty origami“.) Nahoře, kde se střetávají paže, může být nalepena malá plastová rukojeť, čímž se vytvoří joystick, který působí ve třech rozměrech - a paže se tlačí zpět, čímž uživatel vnímá objekty, proti nimž tlačí. V demonstracích tým použil zařízení k ovládání leteckého robota, stlačení virtuálních objektů a pociťování tvaru virtuální lidské anatomie.
Existují určité výzvy v uchopení haptik, které by se mohly zdát nepřekonatelné - například, jak poskytujete pocit váhy při chytání a zvedání beztížných digitálních objektů? Ale studiem neurovědy dokázali inženýři najít několik řešení. Culbertson a jeho kolegové vyvinuli zařízení zvané Grabity pro gravitační problém. Je to druh svěráku, který člověk uchopí a stiskne, aby vyzvedl virtuální objekty. Jednoduše vibrováním určitým způsobem může vyvolat iluzi váhy a setrvačnosti.
Ale „klamat mozek jde jen tak daleko, “ říká Ed Colgate, strojní inženýr na Northwestern University, který pracuje v haptice. Je někdy snadné zlomit hmatové iluze. Podle jeho názoru budou inženýři z dlouhodobého hlediska muset znovu vytvořit fyziku skutečného světa - váhu a vše - co nejvěrněji. "To je opravdu těžký problém."
Uchopitelné haptické zařízení zvané Grabity (dole) poskytuje iluzi váhy a setrvačnosti při manipulaci s virtuálními objekty. Zde napodobuje pocit bloku (nahoře). (S laskavým svolením laboratoře Stanford Shape Lab) Uchopitelné přístroje často využívají kinestetické pocity: pocity pohybu, polohy a síly zprostředkované nervy nejen v naší kůži, ale také v našich svalech, šlachách a kloubech. Opotřebitelné prostředky se naopak opírají o hmatové pocity - tlak, tření nebo teplota - zprostředkované nervy v kůži.
Na prst se nosí různé experimentální zařízení, které tlačí na podložku prstu s různými stupni síly, když se člověk dotkne objektů ve virtuální realitě. Nedávné zařízení však poskytuje stejný druh zpětné vazby, aniž by zakrývalo podložku prstu. Místo toho se nosí, kde by člověk mohl nosit prsten a obsahuje motory, které protahují kůži pod. To udržuje prsty volné pro interakci s objekty skutečného světa a přitom stále snímá „virtuální“ objekty - užitečná funkce pro hry i seriózní aplikace.
V jedné zkoušce člověk mohl držet skutečný kus křídy a cítit tlak, když „psal“ na virtuální tabuli na základě hmatové iluze: Když současně viděli, jak se křída dotýká desky a cítí, jak se její kůže natáhla, byli oklamáni. do pocitu tlaku v jejich prstech.
Více obyčejně, nositelná haptická zařízení komunikují prostřednictvím vibrací. Culbertsonova laboratoř například pracuje na náramku, který uživatele vede vibracemi ve směru, kterým se musí otočit. A NeoSensory, společnost založená stanfordským neurovědcem Davidem Eaglemanem, vyvíjí vestu s 32 vibračními motory, která byla předvedena v epizodě seriálu HBO sci-fi Westworld, kde zdánlivě pomohl postavám identifikovat směr přibližování se nepřátelům.
Jednou z prvních skutečných aplikací vesty bude převést zvuk na hmatový pocit, aby mluvený jazyk byl srozumitelnější pro lidi s hlubokou nebo úplnou ztrátou sluchu. Eagleman také pracuje na převádění aspektů vizuálního světa do vibrací pro nevidomé. Další úsilí zahrnuje více abstraktních informací, jako jsou tržní a environmentální údaje - namísto mřížky určující, kde jsou věci prostorové, může složitý vzor vibrací naznačovat ceny tuctu akcií.
Tento obrázek ukazuje design měkkého, ohebného materiálu podobného pokožce, který odpovídá tělu, pro nositelná haptická zařízení. Vrstva senzoru a ovladače jsou odděleny vrstvami silikonu. Ve vrstvě senzoru převádí titaničitan zirkoničitý olovnatý (PZT) sílu na elektrický náboj pro zpětnou vazbu do počítače. Vrstva pohonu obsahuje malé kapsy, které se mohou plnit vzduchem mnohokrát za sekundu pro vibrační zpětnou vazbu k uživateli. (Přizpůsobeno HA Sonar et al / Frontiers in Robotics a AI 2016) Vibrační motory mohou být objemné, takže některé laboratoře vyvíjejí pohodlnější řešení. Paikova laboratoř v EPFL pracuje na kůži z měkkého pneumatického pohonu (SPA) - vrstvy pružného silikonu o tloušťce menší než 2 milimetry, která je posetá malými vzduchovými kapsami. Mohou být nafouknuty a vypuštěny nezávisle desítkykrát za sekundu, a tím působit jako pixely - nebo „taxely“ pro hmatové prvky - vytvářející mřížku senzace. Mohou poskytnout pocity druhu, jaké nabízejí obleky v Ready Player One, nebo zpětnou vazbu na umístění robotů nebo protetických končetin. SPA skin je také zabudován do senzorů vyrobených z nové kovové slitiny odolné vůči korozi, která umožňuje použít stejnou pokožku pro vstup počítače, když ji uživatel stiskne.
Ještě tenčí haptický film - méně než půl milimetru tlustý - je také ve výplni, vytvořený společností Novasentis a vyrobený z nové formy plastu polyvinylidenfluoridu, který vyrovnává sílu, flexibilitu a elektrickou odezvu. Když je fólie vrstvena na jedné straně fólie z pružného materiálu a je aplikován elektrický náboj, fólie se smrští a ohne fólii, přičemž působí na kůži. Novasentis nyní poskytuje materiál výrobcům zařízení, kteří jej vkládají do rukavic pro virtuální realitu a hry.
"Můžete rozlišovat mezi vodou, pískem a skálou, " říká Sri Peruvemba, viceprezident společnosti pro marketing. Návrháři VR by také mohli vytvářet abstraktnější reprezentace, jako jsou zprávy dodávané senzací o stavu hry. "S naší technologií můžeme vytvořit celý haptický jazyk, " říká Peruvemba.
Vibrace mohou vyvolat další druh hmatové iluze: pocit tahání. Pokud se zařízení, které vibruje tam a zpět rovnoběžně s povrchem kůže, rychle pohybuje jedním směrem a pomalu zpět druhým směrem, mnohokrát za sekundu, má pocit, že tahá kůži v prvním směru.
Zatímco většina nositelek používá hmatový pocit, mohou také použít vstup kinestetického senzoru svalové kloubní šlachy. Inženýři vyvinuli robotické exoskeletony, druh lešení připevněného k tělu pomocí senzorů a motorů, které mohou pomoci ochrnutým lidem chodit, dát vojákům mimořádnou sílu a nechat lidi ovládat roboty na dálku. Laboratoř v EPFL vyvinula FlyJacket, který se nosí s pažemi rovně do stran, připojenými písty k pasu. Nevypadá to zvlášť létat, ale umožňuje lidem ovládat let leteckých robotů pohybem paží a kroucením jejich torz. Když dron cítí závan větru, uděláte to také.
Konečnou kategorií zařízení jsou dotyková rozhraní, například obrazovky smartphonu, které po kliknutí na aplikaci udělají trochu rány. Culbertsonova práce tlačí za pouhé rány a bzučení. Simuluje texturu na povrchech pomocí toho, co nazývá „datově řízenou haptikou“. Místo psaní složitých algoritmů nebo fyzikálních modelů pro generování vibrací, které simulují skutečné, zaznamenává, co se stane, když se něco táhne přes různé tkaniny nebo jiné materiály různými rychlostmi a tlaky. Pak má povrch, který přehrává vibrace, když se přes ně táhne pero. Aplikace mohou zahrnovat online nakupování a virtuální muzea.
Dotykové hmatové zařízení umožňuje uživateli „cítit“ různé textury v závislosti na tom, jaké vzory vibrací jsou přenášeny perem. Vibrace se mění v závislosti na rychlosti, s jakou se pero pohybuje, nebo na tom, jaký tlak vyvíjí uživatel. Cílem je realisticky simulovat drsnost, tvrdost a kluzkost povrchů. (S laskavým svolením Heather Culbertsona) Dotykové povrchy také umožňují typy iluzí. Například Culbertson říká, že přehrání zvuku tlačítka klepnutí jedním klepnutím na obrázek tlačítka způsobí pocit, jako by tlačítko skutečně klikalo. Nebo pokud se obrazovka bude zdát deformovaná pod jedním prstem, může to způsobit pocit měkčí. Lidé vytvářejí vnímání tím, že spojují pohled, zvuk, dotek, chuť a vůni - a jak říká Culbertson: „Je opravdu snadné oklamat váš mozek, pokud máte nesoulad mezi vašimi smysly.“
Realistické haptiky pro VR mohou být navždy neohrabané a drahé. Nebo technologie může nakonec způsobit, že bude Ready Player One vypadat kuriózně. V každém případě, jak vidíme s dětskými kroky, jako je všudypřítomné řinčení řadičů videoher a nekonečně vibrující telefony a hodinky, haptická zařízení jsou tu, aby zůstala a přidala nový rozměr do našeho digitálního života.
Známý časopis je nezávislé novinářské úsilí od společnosti Annual Reviews. 
