Dotyk pomysłowości

Teraz, gdy coraz więcej smartfonów i odtwarzaczy MP3 ma interfejsy dotykowe, ludzie przyzwyczaili się do interakcji z gadżetami za pomocą tylko stuknięć i machnięć palcami. Ale na 11. piętrze budynku w centrum Manhattanu naukowcy z New York University, Ilya Rosenberg i Ken Perlin, opracowują interfejs, który idzie jeszcze dalej. To cienka podkładka, która precyzyjnie reaguje na nacisk nie tylko palca, ale także różnych przedmiotów, takich jak stopa, rysik czy pałeczka do gry na perkusji. I może wykryć wiele danych wejściowych naraz.

Ken Perlin (po lewej), profesor informatyki na Uniwersytecie Nowojorskim i Ilya Rosenberg, absolwentka Uniwersytetu Nowojorskiego, pokazują plastikowe arkusze, które są punktem wyjścia dla ich czułych na nacisk paneli dotykowych.

Pomysł na podkładkę wpadł na pomysł Rosenberga, absolwenta NYU, kilka lat temu, kiedy pracował z przewodzącym polimerem zwanym tuszem z rezystorem wykrywającym siłę, który jest często używany w elektronicznych instrumentach klawiszowych. Kiedy na atrament wywierany jest nacisk, jego cząsteczki zmieniają orientację w sposób, który zmienia jego opór elektryczny, który jest łatwy do zmierzenia. Rosenberg pierwotnie używał atramentu do tworzenia czujników, które można było osadzać pod granicami kortu tenisowego, aby zautomatyzować połączenia telefoniczne, ale zastanawiał się, czy może to być podstawa dobrego interfejsu wielodotykowego dla komputerów. Zaczął współpracować z Perlinem, profesorem w Laboratorium Badań Mediów NYU, aby stworzyć czuły na nacisk panel dotykowy, który zastąpi mysz komputerową.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wrażliwe na nacisk podkładki istnieją od lat, ale większość z nich ogranicza się do prostych zastosowań, takich jak wykrywanie zajętego fotelika samochodowego. Urządzenia takie jak Palm Pilot, które używają rysika do wprowadzania danych, zwykle wykrywają dotyk, mierząc zmiany oporu elektrycznego, gdy jakiś przedmiot dotyka ekranu. Ale te ekrany mogą rejestrować tylko jeden dotyk na raz. Tymczasem ekrany dotykowe w smartfonach wykorzystują czujnik, który wykrywa zmiany pojemności lub zdolność materiału do utrzymywania ładunku elektrycznego; pojemność zmienia się, gdy obiekty zawierające wodę – w tym palce – poruszają się po ekranie. Takie ekrany wyczuwają wielokrotne dotknięcie, ale nie mogą wykryć nacisku.

Natomiast touchpad Rosenberg i Perlin łączy w sobie pewne zalety wszystkich tych technologii. Może jednocześnie rejestrować nacisk i położenie kilku dotknięć, a także w prosty i niedrogi sposób można go zmniejszyć do rozmiaru wisiorka lub powiększyć, aby przykryć blat stołu.

Malowany plastik
Aby zbudować czuły na nacisk touchpad, Rosenberg zaczyna od arkuszy plastiku nieco grubszego niż kawałek papieru. Za pomocą specjalnego programu projektuje wzór linii, które zostaną wydrukowane na każdym arkuszu, dostosowując wzór do przeznaczenia urządzenia. Linie są ułożone na plastiku w metalu, aby przewodziły prąd elektryczny; arkusz jest następnie pokrywany równomierną warstwą czarnego, wrażliwego na nacisk atramentu. W masie drukowane czujniki kosztowałyby około 100 dolarów za metr kwadratowy, ale ponieważ te prototypy wielkości liter są jednorazowe, każdy z nich kosztuje około 100 dolarów.

Rosenberg umieszcza dwa przygotowane arkusze obok siebie stroną z tuszem polimerowym skierowanym do środka, ustawiając je tak, aby linie przewodzące tworzyły siatkę. Następnie skleja arkusze taśmą dwustronną. Co szósta metalowa linia kończy się na jednej krawędzi plastikowych arkuszy krótkim, elastycznym ogonem, który jest połączony ze sztywną płytką drukowaną za pomocą zacisku. Chociaż pozostałe przewody nie są połączone z elektroniką, wpływają one na charakterystykę elektryczną aktywnych linii, co pomaga oprogramowaniu określić, skąd pochodzi dotyk.

Sama płytka drukowana zawiera mikrochip zaprogramowany do skanowania podkładki czujnika, dostarczając zasilanie do każdego aktywnego przewodu w krótkich odstępach czasu. Chip przetwarza również dane dotyczące ciśnienia z ciągłego sygnału analogowego na format cyfrowy, który komputer może zinterpretować. Na koniec kompresuje dane i przesyła je do komputera przez połączenie USB lub (w przypadku aplikacji muzycznych) port MIDI.

Oprogramowanie na komputerze oblicza zarówno położenie obiektów, które stykają się z podkładką, jak i nacisk, jaki wywierają. Jeśli jakiś przedmiot dotyka na przecięciu dwóch przewodzących linii, elektronika rejestruje tam silny prąd; ale im dalej od skrzyżowania się dotyka, tym słabszy prąd dzięki rezystywności atramentu. Prototypy mają już wystarczająco wysoką rozdzielczość, aby dokładnie wykrywać dane wejściowe palcem i rysikiem w tabletach. Za jednym dotknięciem może rejestrować siły od pięciu gramów do pięciu kilogramów z 2,5-procentowym marginesem błędu — wystarczającym do zinterpretowania lekkiego stuknięcia rysikiem lub uderzenia w bęben cyfrowy. Perlin mówi, że ponieważ tak mało przewodów wymaga zasilania, większe wersje podkładki mogą osiągnąć podobną czułość bez znacznie większej złożoności i kosztów.

Presja rynkowa
Dzisiejsze prototypy są nieprzezroczyste w kolorze czarnym, więc nie nadają się jako interfejsy ekranów dotykowych w telefonach komórkowych i innych gadżetach elektronicznych. Ale tak precyzyjny i niedrogi interfejs czuły na nacisk wciąż ma wiele potencjalnych zastosowań, mówi Perlin.

Na przykład Rosenberg i Perlin współpracowali z innymi badaczami w kilku zastosowaniach medycznych i naukowych. Perlin twierdzi, że podkładkę można by dodać do butów w celu monitorowania chodu i do łóżek szpitalnych, aby ostrzec pielęgniarki, gdy pacjent pozostaje w bezruchu zbyt długo, zwiększając ryzyko odleżyn. Podkładka jest nawet wystarczająco czuła, aby mierzyć fale ciśnienia w wodzie i powietrzu; może to prowadzić do lepszych modeli dynamiki płynów, które mogą pomóc w projektowaniu samolotów i łodzi. Obecnie do zbierania takich danych badacze wykorzystują macierze pojedynczych czujników, ale są one zbyt drogie, aby można je było wykorzystać na dużym obszarze.

Technologia jest również przydatna w interfejsach multitouch dla urządzeń elektronicznych. Patrick Baudisch, badacz z Instytutu Hasso Plattner w Niemczech, zintegrował podkładkę z tyłu małego gadżetu do gier, skutecznie dodając ergonomiczne wejście dotykowe: użytkownicy mogą sterować grą bez blokowania ekranu palcami. Rosenberg uważa, że ​​stosując inny rodzaj atramentu wrażliwego na nacisk i zmniejszając grubość linii, on i jego koledzy mogą zbudować przezroczysty czujnik, który można wykorzystać w ekranach dotykowych telefonów komórkowych i tabletów.

Touchpad firmy Rosenberg i Perlin jest znacznie bardziej czuły niż inne urządzenia wykrywające rezystancję, mówi Andy Wilson, badacz Microsoft, który opracował Surface, dostępny na rynku stół wielodotykowy. Wiele aplikacji skupia się na ciekawym wykorzystaniu czujnika ciśnienia, mówi. Dodaje jednak, że technologia jest jeszcze we wczesnej fazie rozwoju i trudno powiedzieć, o ile tańsza będzie od dzisiejszych interfejsów dotykowych.

W kwietniu Rosenberg i Perlin uruchomili Touchco, startup, który będzie udzielał licencji na technologię i zapewniał pomoc projektową firmom, które chcą wbudować ją w urządzenia, takie jak telefony komórkowe i czytniki e-booków. Inżynierowie firmy badają dodatkowe zastosowania – takie jak pierwszy elektroniczny bęben ręczny, który byłby niemożliwy bez czujnika o tak wysokiej rozdzielczości.

Ostatecznie te cienkie, dyskretne panele dotykowe można było wbudować w praktycznie każdą powierzchnię, otwierając nowy wymiar interakcji wielodotykowej.

ukryć