Hands-on med haptisk aktiveret produktdesign

Den voksende popularitet og anvendelighed af enheder, der udnytter digitale værktøjer og tjenester, motiverer flere produktdesignere til at integrere haptisk teknologi, der sikrer større brugerengagement og leverer mere fordybende oplevelser. Forbedring af digitale grænseflader med berøringsbaserede fornemmelser tilføjer taktil interaktion og skaber yderligere oplevelser, der supplerer eller går ud over syn og hørelse. Designere, der er ivrige efter at udnytte haptiske evner, kan drage fordel af lettilgængelige komponenter til at forfølge nye brugsscenarier og forretningsmuligheder.

Haptik udnyttes allerede i meget synlige forbrugerprodukter lige fra smartphones til biler til salgssteder og pengeautomater. De bliver også brugt i medicinsk udstyr og kirurgiske værktøjer, industri- og produktionsmaskiner og til bygningsautomatisering.

Haptikken har sin oprindelse i 1880, da Pierre og Jacques Curie demonstrerede den piezoelektriske effekt i nogle materialer, så de kunne generere en lille elektrisk ladning ved at anvende mekanisk kraft. Den omvendte piezoelektriske effekt skaber en fysisk bevægelse i et materiale, når der tilføres en spænding, og den blev brugt til at udvikle tidlige ultralydsdetekteringssystemer til ubåde og luftbårne radiosystemer. De samme principper ligger til grund for aktuatorer og transducere, der ofte bruges i små højttalere, mikrofoner og endda musikgavekort.

Kombinationen af haptiske funktioner med virtual reality (VR), augmented reality (AR) og Internet of Things (IoT) har potentiale til at forbedre brugernes engagement i eksisterende enheder og bane vejen for nye anvendelser. Piezoelektriske haptiske aktuatorer tilføjer realistisk berøring til virtuelle interaktioner, hvor vibrationer giver en naturlig og engagerende følelse af reaktionsevne, f.eks. ved at simulere spiloplevelser fra racerløb til affyring af våben.

Haptik kan spille en afgørende rolle i at overvinde faktorer, der begrænser syn eller lyd ved genkendelse af kritiske alarmer. I medicinske sammenhænge kan haptik f.eks. hjælpe behandlere med hurtigere at reagere på flere input, hvilket kan vise sig at være livreddende i situationer, hvor hvert sekund kan gøre en forskel for et sundt resultat.

Føle fremtiden: applikationer og anvendelsesområder

Haptikkens potentiale er kun begrænset af produktdesignernes visioner. Efterhånden som AR og VR vokser i popularitet, og kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML) fortsætter med at udvikle sig, vil haptik sandsynligvis spille en fremtrædende rolle med hensyn til at levere stadig større fordybende digitale oplevelser på tværs af en række industrier, herunder:

• Medicinske områder, hvor haptik allerede er begyndt at spille en rolle ved robotassisteret kirurgi og invasive tandbehandlinger, hvilket hjælper med at genskabe den berørings- og føleoplevelse, som læger tilegner sig gennem mange års praksis. Kombineret med VR kan haptik fremme indlæringen af medicinske færdigheder ved at simulere procedurer fra den virkelige verden på en måde, der giver praktiske oplevelser, lige fra at bruge en skalpel til et hjertes banken. Haptik kan føre til fremskridt inden for patientrehabilitering for ofre for invaliderende skader, hjælpe ofre for slagtilfælde med at genlære vigtige motoriske færdigheder og give folk med amputeringer mulighed for at overvinde begrænsningerne ved mekaniske proteser.
• Anvendelsesområder til biler, hvor haptik allerede giver bilister taktile advarsler, hvis de forlader vognbanen eller ikke holder ordentligt fast i rattet. Smartwatch-integration med navigationssystemer kan advare førerne om kommende sving, så de ikke behøver at flytte blikket til kort på skærme på instrumentbrættet.
• Industri og produktion, hvor operatører af tungt udstyr og arbejdere på produktionslinjer let kan blive distraheret af behovet for at kigge på knapper eller skærme. Haptik kan hjælpe dem med at holde fokus på opgaver foran eller bag dem, mens de bekræfter, at de har truffet de rigtige valg uden at kigge væk. Haptik kan inkorporeres i handsker og tøj for at muliggøre præcis fjernstyring af maskiner, nøjagtighed ved plukkeoperationer og til at give feedback eller advarsler i potentielt farlige miljøer.
• Detailhandel og finansielle tjenester, hvor kunderne oplever haptik ved almindelige hverdagsmøder med POS-systemer og pengeautomater, såsom bekræftelse af interaktioner ved brug af kort og mobile enheder. Kombinationen af haptik og AR/VR rummer potentialet for rige, online shoppingoplevelser, der giver forbrugerne mulighed for virtuelt at genskabe det, de forventer i en fysisk butik.
• Forbrugerelektronik, som har vist sig at være moden til haptik. Den første haptiske smartphone blev introduceret på Consumer Electronics Show i 2000, og teknologien blev hurtigt udbredt til Android- og Apple-smartphones, i første omgang for at forbedre brugeroplevelsen, når man skriver på virtuelle tastaturer og trykker på skærmikoner. Men haptik fik tidligere succes ved at berige oplevelsen for videospillere i 1990'erne med controllere og tilbehør som styreåg, der gav taktil feedback til bl.a. køre- og skydespil. Med den fortsatte udvikling af forbrugerenheder og digitale tjenester - fra fitness-trackere til AR/VR-headsets og briller - kæmper produktdesignere om at udvikle nye funktioner, der gør den digitale verden lige så håndgribelig som den fysiske.

Komponenter til succes: muligheder til ethvert behov

Produktdesignere kan bruge lettilgængelige komponentporteføljer til at skabe haptisk aktiverede grænseflader, der passer til deres specifikationer og anvendelsesbehov.

Det første skridt er at forstå forskellene mellem de tilgængelige teknologier og deres designkrav. Elektromekaniske komponenter er den mest almindelige teknologi til at levere haptiske reaktioner. De grupperes almindeligvis i følgende hovedkategorier:

• ERM-aktuatorer (Eccentric Rotating Mass) bruger en roterende masse uden for aksen, der er koblet til en DC-motor, til at generere vibrationer, der kan give lavfrekvente "rumle"-fornemmelser (figur 1). Aktuatoren vibrerer ved en frekvens, der er direkte korreleret med enhedens drivspænding. Fordi det tager kort tid for den roterende motor at opnå den ønskede hastighed, når der tilføres spænding - og for at bremse motoren til stop - er de bedst til applikationer, hvor der er behov for en mærkbar vibrationseffekt, men hvor der ikke er et strengt behov for præcise vibrationsmønstre. PUI Audio tilbyder flere ERM-aktuatorer, herunder den overflademonterede HD-EMB1104-SM-2, som giver stærk haptisk feedback i en lille pakke, der måler 3,4 mm x 4,4 mm x 11 mm. Den er velegnet til medicinske, bil- eller industrisegmenter; forbruger- eller bærbare enheder; eller sikkerhedsapparater. En anden mulighed er PCI Audio HD-EM0602-LW15-R børsteløs DC ERM, som har forbedret hastigheds- og momentstyring og en længere levetid end aktuatorer med børster.

Figur 1: Eksploderet billede af en ERM-aktuator. (Kilde: PUI Audio)

• LRA-motorer (Linear Resonant Actuator) (figur 2) er vekselstrømsdrevne og producerer en vibration i to retninger langs en akse, hvilket muliggør højopløselige, responsive vibrationsmønstre til at levere information til brugeren. LRA'er skaber vibrationer ved at bevæge massen i en lineær retning, når spolen exciteres med frekvensen og spændingen i det signal, der tilføres enheden, hvilket giver uafhængig kontrol over både vibrationsstyrke og frekvens. I modsætning til ERM'er vil brugerne med en LRA-udstyret enhed mærke en vibration, så snart spolen aktiveres, og massen bevæger sig op eller ned. Denne teknologi er beslægtet med traditionelle højttalere, hvor en spole exciteres af en bølgeform, som får en magnet og en membran til at bevæge sig og generere lydbølger. HD-LA1307-SM fra PUI Audio er en vandtæt, IP-klassificeret, overflademonteret LRA, der muliggør problemfri integration i forskellige slutapplikationer, såsom virtual reality-miljøer, spillekonsoller, medicinske simulatorer, håndholdte enheder og forbruger- og industrielle kontrolgrænseflader.

Figur 2: Eksploderet billede af en LRA. (Kilde: PUI Audio)

• VCM-motorer (Voice Coil Motors), også kaldet VCA.motorer (Voice Coil Actuators (Figur 3), bruger den samme svingspoleteknologi som LRA'er, men er endnu mere analog med en højttaler. En masse bevæger sig lineært, som i en LRA, men med øget størrelse og masse, hvilket giver en mere omfattende og realistisk vibrationseffekt, end hvad der kan replikeres med en LRA. PUI Audios HD-VA2527 cylindriske VCM giver fleksible og komplekse vibrationseffekter.

Figur 3: Eksploderet billede af VCA. (Kilde: PUI Audio)

• Piezoelektriske haptiske komponenter, ofte kaldet piezo-bøjetransducere eller summere, er baseret på den omvendte piezoelektriske effekt og består af flade lag af aktivt piezoelektrisk materiale, der bøjer og trækker sig sammen, når der tilføres spænding, hvilket skaber lyd og vibrationer. De fås i diske som PUI Audios HD-PAB1501 og i strimler som HD-PAS2507. Piezo-bøjetransducere kan levere mere komplekse og detaljerede signaler, som f.eks. lyden af et hjerteslag, en hidtil uset følelse af realisme. Disse komponenter giver højere forskydningsnøjagtighed, hurtigere responshastighed, mere markant genereringskraft og længere levetid. De kræver en højere spænding end ERM'er og LRA'er, men designere kan bruge integrerede kredsløb med "bøjedrivere" til at opfylde spændingskravene fra lavspændingskilder.

Konklusion

Produktdesignere kan drage fordel af rige komponentporteføljer til at integrere haptik i deres enheder. De skal vurdere, hvilken type vibration der passer til deres design, og hvilke fordele og begrænsninger de enkelte aktuatorer har i forhold til at opfylde designspecifikationer, slutbrugerbehov og specifikke anvendelser. Med de rigtige designvalg er det muligt at skabe nye haptiske produkter, der vil anspore til nye forretningsmuligheder.