Praktisk produktutvikling med haptikk

Den økende populariteten og nytten av enheter som utnytter digitale verktøy og tjenester motiverer flere produktutviklere til å integrere haptisk teknologi, noe som sikrer høyere brukerengasjement og leverer en mer stimulerende opplevelse. Forbedring av digitale grensesnitt med berøringsbasert føling legger til taktil interaksjon, noe som skaper flere opplevelser som kompletterer eller implementerer mer enn syn og hørsel. Utviklere som er ivrige etter å utforske haptiske muligheter, kan dra nytte av lett tilgjengelige komponenter for å forfølge nye bruksområder og forretningsmuligheter.

Haptikk blir allerede utnyttet i svært synlige forbrukerprodukter, som spenner fra smarttelefoner til biler til kassesystemapparater og minibanker. De brukes også i medisinsk utstyr og kirurgiske verktøy, industri- og produksjonsmaskiner og utrustninger for byggautomatisering.

Opprinnelsen til haptikk dateres tilbake til 1880, da Pierre og Jacques Curie demonstrerte den piezoelektriske effekten til noen materialer, som kan generere en liten elektrisk ladning ved å påføre en mekanisk kraft. Den omvendte piezoelektriske effekten genererer en fysisk bevegelse for et materiale når en spenning påføres, og ble brukt til å utvikle tidlig ubåtdeteksjon med ultralyd og luftbårne radiosystemer. De samme prinsippene er kjernen i aktuatorer og transdusere som ofte brukes i små høyttalere, mikrofoner og til og med musikalske gavekort.

Ved å kombinere haptiske funksjoner med virtuell virkelighet (VR – virtual reality), utvidet virkelighet (AR – augmented reality) og tingenes Internett (IoT – Internet of Things), er det mulig å forbedre brukerengasjementet med eksisterende enheter og bane vei for nye produkter. Piezoelektriske haptiske aktuatorer gir en realistisk følelse til virtuelle interaksjoner, med vibrasjoner som gir en naturlig og engasjerende følelse av respons, for eksempel under simulering av spillopplevelser – fra racing til våpenavfyring.

Haptikk kan spille en svært viktig rolle i å få bukt med faktorer som begrenser syn eller lyd i å gjenkjenne kritiske varsler. I medisinske miljøer, for eksempel, kan haptikk gjøre det enklere for personell å reagere på flere inndata, noe som kan vise seg å være livreddende i situasjoner der hvert sekund kan spille en rolle i å oppnå et helsefremmende resultat.

Føl fremtiden: konstruksjoner og brukstilfeller

Potensialet til haptikk er bare begrenset av visjonen til produktutviklere. Etter hvert som AR og VR vokser i popularitet, og kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML) fortsetter å utvikle seg, vil haptikk sannsynligvis spille en fremtredende rolle i å levere stadig mer stimulerende digitale opplevelser på tvers av en rekke bransjer, for eksempel:

• Medisinske felt, der haptikk allerede begynner å spille en rolle i robotassistert kirurgi og invasive tannprosedyrer, som bidrar til å gjenskape berørings- og følelseserfaringen som leger tilegner seg gjennom mange års praksis. Når haptikk kombineres med VR, fremmes medisinsk ferdighetslæring ved å simulere prosedyrer fra den virkelige verden på en måte som gir praktiske opplevelser – fra å bruke en skalpell til å palpitere et hjerte. Haptikk kan føre til fremskritt innen pasientrehabilitering ved å hjelpe ofre med svekkende skader, gi slagofre muligheten til å lære viktige motoriske ferdigheter på nytt og gi amputerte muligheten til å overvinne begrensningene forbundet med mekaniske proteser.
• Bruksområder for bilindustrien, der haptikk allerede gir bilførere taktile advarsler for filbytte og når føreren ikke har godt nok grep i rattet. Integrering av navigasjonssystemer og smartklokker kan varsle operatører om kommende svinger, noe som gjør at føreren ikke trenger å skifte blikket til kartet på de integrerte skjermene i kjøretøyet.
• Industri og produksjon, der operatører av tungt utstyr og produksjonslinjearbeidere lett kan bli distrahert av å måtte følge med på knapper eller skjermer. Haptikk kan hjelpe dem med å holde fokuset på oppgaver som ligger foran eller bak, og samtidig bekrefte at de har tatt de riktige valgene uten å se bort. Haptikk kan innlemmes i hansker og klær for å muliggjøre nøyaktig fjernstyring av maskiner, nøyaktighet i plukksystemer og for å gi feedback eller varsler i potensielt farlige miljøer.
• Detaljhandel og finansielle tjenester, der kunder opplever haptikk i vanlige dagligdagse møter med kassesystemer og minibanker, for eksempel ved å bekrefte interaksjoner som involverer kort og mobilenheter. Kombinasjonen av haptikk og AR/VR kan potensielt gi rike, nettbaserte handleopplevelser som gjør det mulig for forbrukere å gjenskape virtuelt de samme tilbudene de forventer fra en fysisk detaljhandelsvirksomhet.
• Forbrukerelektronikk, som har vist seg å være klar for haptikk. Den første haptiske smarttelefonen ble introdusert på «2000 Consumer Electronics Show»-utstillingen, og teknologien ble raskt tatt i bruk for Android- og Apple-smarttelefoner, først for å bidra til å forbedre brukeropplevelsen under skriving på virtuelle tastaturer og trykk på skjermikoner. Haptikk opplevde derimot tidlig suksess ved å berike opplevelsen til videospill-gamere på 1990-tallet, der kontrollere og tilbehør som ratt (yokes) ga taktil feedback under kjøring og skyting, for å nevne et par. Med den kontinuerlige utviklingen av forbrukerenheter og digitale tjenester – fra treningsarmbånd til AR/VR-hodesett og -briller – konkurrerer produktutviklere om å utvikle nye funksjoner som gjør den digitale verden like håndgripelig som den fysiske.

Komponenter for suksess: Alternativer for ethvert behov

Produktutviklere kan bruke lettilgjengelige komponentsortimenter til å lage haptisk aktiverte grensesnitt som er egnet for tilpassede spesifikasjons- og konstruksjonsbehov.

Det første trinnet er å forstå forskjellene mellom tilgjengelige teknologier og de tekniske kravene til disse. Elektromekaniske komponenter er den vanligste teknologien som kan levere haptisk respons. De er ofte gruppert i følgende hovedkategorier:

• Eksentrisk roterende masse (ERM)-aktuatorer bruker en roterende masse forskjøvet fra aksens midtpunkt. Denne massen er festet til en likestrømsmotor som genererer vibrasjoner som kan levere lavfrekvente «rumle»-følelser (figur 1). Aktuatoren vibrerer med en frekvens som er direkte korrelert med driftsspenningen til enheten. Fordi det tar kort tid for den roterende motoren å oppnå ønsket hastighet når spenning påføres – og for å bremse motoren til full stans – er de best egnet for enheter der en merkbar vibrasjonseffekt er nødvendig, men presise vibrasjonsmønstre strengt tatt ikke er nødvendige. PUI Audio tilbyr flere ERM-aktuatorer, inkludert den overflatemonterte HD-EMB1104-SM-2, som leverer sterk haptisk feedback i et lite format som måler 3,4 mm x 4,4 mm x 11 mm. Den er egnet for bruk i helse og medisin, bilindustrien eller industrisegmenter, forbrukerenheter, bærbare enheter eller sikkerhetsapparater. Et annet alternativ er PCI Audio sin HD-EM0602-LW15-R, en børsteløs likestrøms-ERM som har forbedret hastighets- og dreiemomentstyring og lengre levetid enn aktuatorer med børster.

Figur 1: Eksplodert visning av en ERM-aktuator. (Bildekilde: PUI Audio)

• Lineær resonansaktuator (LRA)-deler (figur 2) er vekselstrømsdrevne og produserer en vibrasjon i to retninger langs en akse, noe som muliggjør vibrasjonsmønstre som er høyoppløselige og responsive for å levere informasjon til brukeren. LRA-er skaper vibrasjoner ved å bevege massen i en lineær retning når spolen blir eksitert med frekvensen og spenningen til signalet som påføres enheten, og gir uavhengig kontroll over både vibrasjonsstyrken og frekvensen. I motsetning til ERM-er, vil brukere som har en LRA-utstyrt enhet føle en vibrasjon så snart spolen blir eksitert og massen beveger seg opp eller ned. Denne teknologien er relatert til tradisjonelle høyttalere, der en spole eksiteres av en bølgeform, som igjen får en magnet og membran til å bevege seg og generere lydbølger. HD-LA1307-SM fra PUI Audio er en vanntett, IP-klassifisert, overflatemontert LRA som legger til rette for sømløs integrering i ulike utrustninger, for eksempel virtuelle virkelighet, spillkonsoller, medisinske simulatorer, håndholdte enheter og styringsgrensesnitt for forbrukere og industri.

Figur 2: Eksplodert visning av en LRA. (Bildekilde: PUI Audio)

• Svingspolemotorer (VCM – Voice Coil Motor), også kalt svingspoleaktuatorer (VCA – Voice Coil Actuator) (figur 3), bruker den samme svingspoleteknologien som LRA-er, men de kan sammenlignes mer med en høyttaler. En masse beveger seg lineært, som i en LRA, men med økt størrelse og masse, og de produserer en mer betydelig og realistisk vibrasjonseffekt enn det som kan repliseres med en LRA. PUI Audio sin sylindriske VCM HD-VA2527 tilbyr fleksible og komplekse vibrasjonseffekter.

Figur 3: Eksplodert visning av en VCA. (Bildekilde: PUI Audio)

• Piezoelektriske haptiske komponenter, ofte referert til som piezoelementer eller summere, er basert på den omvendte piezoelektriske effekten, og består av flate lag av aktivt piezoelektrisk materiale som bøyer seg og trekker seg sammen når spenning påføres, noe som genererer lyd og vibrasjoner. De er tilgjengelige som disker, slik som PUI Audio sin HD-PAB1501, og strimler som HD-PAS2507. Piezoelementer kan levere mer komplekse og detaljerte signaler, for eksempel lyden av et hjerteslag, med en enestående følelse av realisme. Disse komponentene tilbyr høyere forskyvningspresisjon, raskere responshastighet, mer genereringskraft og lengre levetid. De krever en høyere spenning enn ERM-er og LRA-er, men konstruktører kan bruke piezoelement-driver-IC-er (bender driver integrated circuits) til å oppfylle spenningskravene fra lavspenningskilder.

Konklusjon

Produktutviklere kan dra nytte av rike komponentsortimenter for å integrere haptikk i enhetene sine. De må evaluere hvilken type vibrasjon som er best egnet for den aktuelle konstruksjonen, samt fordelene og begrensningene til hver aktuator når det gjelder å møte konstruksjonsspesifikasjoner, sluttbrukerbehov og spesifikke bruksområder. Med de riktige konstruksjonsvalgene er det mulig å lage nye produkter som er haptisk aktiverte og som vil inspirere til nye forretningsmuligheter.