Zespół inżynierów kierowany przez Northwestern University opracował nowy typ urządzenia do noszenia, które stymuluje skórę do dostarczania różnych złożonych wrażeń.
Cienkie, elastyczne urządzenie delikatnie przylega do skóry, zapewniając bardziej realistyczne i wciągające doznania zmysłowe. Chociaż nowe urządzenie oczywiście nadaje się do gier i rzeczywistości wirtualnej (VR), naukowcy przewidują także zastosowania w opiece zdrowotnej. Urządzenie może na przykład pomóc osobom z wadami wzroku „poczuć” otoczenie lub przekazać informację zwrotną osobom z protezami kończyn.
Wyniki badania zostaną opublikowane w środę (6 listopada) w czasopiśmie Natura.
Urządzenie to stanowi najnowsze osiągnięcie w technologii noszenia, opracowane przez pioniera bioelektroniki z Northwestern, Johna A. Rogersa. Nowe badanie opiera się na pracach opublikowanych w 2019 r Naturaw którym jego zespół wprowadził „naskórkową VR” – system połączony ze skórą, który przekazuje dotyk za pośrednictwem szeregu miniaturowych siłowników wibracyjnych rozmieszczonych na dużych obszarach skóry, z szybkim sterowaniem bezprzewodowym.
„Nasze nowe, zminiaturyzowane siłowniki do skóry mają znacznie większe możliwości niż proste «brzęczyki», których używaliśmy jako pojazdów demonstracyjnych w naszym oryginalnym artykule z 2019 r.” – powiedział Rogers. „W szczególności te maleńkie urządzenia mogą dostarczać kontrolowaną siłę w całym zakresie częstotliwości, zapewniając stałą siłę bez ciągłego stosowania mocy. Dodatkowa wersja pozwala tym samym siłownikom zapewniać delikatny ruch skręcający na powierzchni skóry, co uzupełnia zdolność dostarczania siłę pionową, dodającą realizmu doznaniom.”
Rogers jest profesorem Louis A. Simpson i Kimberly Querrey w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii, inżynierii biomedycznej i chirurgii neurologicznej, pracując w McCormick School of Engineering w Northwestern i Northwestern University Feinberg School of Medicine. Kieruje także Instytutem Bioelektroniki Querreya Simpsona.
Rogers współpracował z Yonggangiem Huangiem z Northwestern oraz profesorem inżynierii mechanicznej Jana i Marcii Achenbachów w McCormick; Hanqing Jiang z Uniwersytetu Westlake w Chinach; i Zhaoqian Xie z Uniwersytetu Technologicznego w Dalian w Chinach. Zespół Jianga zbudował małe struktury modyfikujące potrzebne do umożliwienia ruchów skręcających.
Wykorzystanie energii zmagazynowanej w skórze
Nowe urządzenie składa się z sześciokątnego układu 19 małych siłowników magnetycznych zamkniętych w cienkim, elastycznym materiale z siatki silikonowej. Każdy siłownik może dostarczać różnych wrażeń, w tym ciśnienia, wibracji i skręcania. Korzystając z technologii Bluetooth w smartfonie, urządzenie odbiera dane o otoczeniu danej osoby w celu przekształcenia ich w informację dotykową – zastępując jedno wrażenie (np. wzrok) innym (dotyk).
Choć urządzenie zasilane jest małą baterią, oszczędza energię dzięki sprytnej „bistabilnej” konstrukcji. Oznacza to, że może pozostać w dwóch stabilnych pozycjach bez konieczności ciągłego dostarczania energii. Po naciśnięciu siłowników magazynuje energię w skórze i wewnętrznej strukturze urządzenia. Kiedy siłowniki cofną się do góry, urządzenie wykorzystuje niewielką ilość energii do uwolnienia zmagazynowanej energii. Zatem urządzenie zużywa energię tylko wtedy, gdy siłowniki zmieniają położenie. Dzięki tej energooszczędnej konstrukcji urządzenie może działać przez dłuższy czas na jednym ładowaniu akumulatora.
„Zamiast walczyć ze skórą, ostatecznie pomysł polegał na tym, aby faktycznie wykorzystać energię zmagazynowaną w skórze mechanicznie jako energię elastyczną i odzyskać ją podczas działania urządzenia” – powiedział Matthew Flavin, pierwszy autor artykułu. „Podobnie jak rozciąganie gumki, ściskanie elastycznej skóry magazynuje energię. Możemy następnie ponownie zastosować tę energię, dostarczając sensorycznej informacji zwrotnej, i to było ostatecznie podstawą do stworzenia tego naprawdę energooszczędnego systemu”.
W czasie prowadzenia badań Flavin był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w laboratorium Rogersa. Obecnie jest adiunktem inżynierii elektrycznej i komputerowej w Georgia Institute of Technology.
Substytucja sensoryczna
Aby przetestować urządzenie, badacze zawiązali oczy zdrowym ochotnikom, aby sprawdzić ich umiejętności unikania obiektów na swojej drodze, zmiany ułożenia stóp, aby uniknąć obrażeń, oraz zmiany postawy w celu poprawy równowagi.
Jeden z eksperymentów obejmował osobę poruszającą się po ścieżce pośród przeszkód. Gdy badany zbliżał się do obiektu, urządzenie dostarczało informację zwrotną w postaci natężenia światła w prawym górnym rogu. W miarę jak osoba zbliżała się do obiektu, sprzężenie zwrotne stawało się coraz intensywniejsze i zbliżało się do środka urządzenia.
Już po krótkim szkoleniu uczestnicy korzystający z urządzenia byli w stanie zmieniać zachowanie w czasie rzeczywistym. Dzięki zastąpieniu informacji wizualnych danymi mechanicznymi urządzenie „działałoby bardzo podobnie do białej laski, ale integrowałoby więcej informacji, niż ktoś byłby w stanie uzyskać przy użyciu bardziej powszechnej pomocy” – powiedział Flavin.
„Jako jeden z kilku przykładów zastosowań pokazujemy, że system ten może wspierać podstawową wersję «widzenia» w postaci wzorów dotykowych dostarczanych na powierzchnię skóry w oparciu o dane zebrane za pomocą funkcji obrazowania 3D (LiDAR) dostępnej w smartfonach – powiedział Rogers. „Ten rodzaj„ substytucji sensorycznej ”zapewnia prymitywne, ale funkcjonalnie znaczące poczucie otoczenia bez polegania na wzroku – jest to zdolność przydatna dla osób z wadami wzroku”.
