viernes, 23 de junio de 2023 · 0 min read
Renderizado háptico: un desafío de realidad virtual
La palabra “háptico” significa relacionado con el sentido del tacto, particularmente la percepción y manipulación de objetos usando el sentido del tacto. Un grupo de estudiantes de la Universidad Sapienza de Roma y el National Institute of Applied Science (INSA) de Lyon lanzaron un proyecto piloto para evaluar la respuesta del cerebro junto con señales mecánicas (fuerzas, fricción y vibraciones) inducidas por la exploración de texturas superficiales. Dewesoft los ayudó a sentir el futuro.
El proyecto de renderizado háptico o táctil es una empresa conjunta que investiga la tribología y la dinámica. La interacción táctil genera estímulos mecánicos entre la piel y la superficie explorada. Un gran desafío social y tecnológico es crear una representación táctil, tal como podemos hacerlo para la vista y el oído.
De hecho, la tecnología de representación visual y auditiva ha ido avanzando durante décadas, y nuestra vida diaria está poblada de pantallas y sistemas acústicos cada vez más sofisticados.
Pero, ¿somos capaces de simular el sentido del tacto?
Por ejemplo, imagina tener un feedback táctil integrado en la pantalla táctil de nuestro smartphone y poder percibir a distancia la textura del objeto que queremos comprar online o tener unos guantes táctiles que simulen las texturas de los objetos en entornos virtuales -realidad aumentada, videojuegos, películas, etc
La representación táctil tendría aplicaciones en todos los campos de la vida cotidiana, desde el entretenimiento hasta los campos médico y biomédico, el comercio digital, etc.
No es casualidad que muchos grupos de investigación internacionales intenten comprender mejor, de forma multidisciplinaria, los mecanismos que subyacen a la percepción táctil para luego dominarlos y recrearlos artificialmente.
Pero demos un paso atrás.
El ser humano aprende e interactúa con el mundo que le rodea a través de los cinco sentidos: vista, oído, tacto, gusto y olfato. El sentido de la vista está mediado por ondas electromagnéticas, el oído por ondas de presión y el gusto y el olfato por interacciones bioquímicas.
El sentido del tacto es el más complejo y menos entendido de los cinco sentidos: requiere interacción con el objeto de percepción. En su base, es un conjunto de estímulos mecánicos provenientes de todo el sistema musculoesquelético. Todavía se está estudiando cómo se generan estos estímulos al interactuar con las superficies y cómo actúan sinérgicamente para formar la percepción táctil.
El proyecto actual tiene como objetivo estudiar las señales mecánicas que subyacen a la percepción táctil de las texturas superficiales y el desarrollo de un dispositivo de representación táctil capaz de recrear la percepción de las superficies a distancia.
El estudio se lleva a cabo en colaboración entre los grupos de Tribología y Dinámica de Sistemas del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial (DIMA) de la Universidad "La Sapienza" de Roma y el Laboratorio de Mecánica de Contactos y Estructuras (LaMCoS) de la Universidad Nacional Instituto de Ciencias Aplicadas (INSA) en Lyon, Francia.
El proyecto se enmarca en un contexto más amplio y fuertemente internacional, en el que los laboratorios de Ingeniería, Neurociencia y Psicología interactúan para comprender y simular el más complejo de los cinco sentidos de forma multidisciplinar.
Medición y análisis de estímulos táctiles
La interacción táctil entre el dedo y la superficie explorada desencadena estímulos mecánicos como fuerzas de contacto, fricción, vibraciones, temperatura y deformación de la piel. Estos son detectados por mecanorreceptores presentes en la piel, los músculos y los ligamentos. La deformación de los mecanorreceptores debido a estímulos mecánicos provoca la creación de potencial eléctrico en las terminaciones nerviosas conectadas a los receptores. Se transmite una corriente a través del sistema nervioso al cerebro, donde se decodifican los estímulos.
Se implementó una configuración experimental (consulte la Figura 1) para medir los estímulos táctiles generados en el dedo que explora y detecta superficies de muestra con topografía conocida. La configuración de prueba desarrollada permite medir tanto las fuerzas de contacto como las Vibraciones Inducidas por Fricción (FIV), es decir, las vibraciones que se generan por el contacto deslizante entre el dedo y la superficie y que, según estudios recientes, se encuentran entre los estímulos mecánicos. más importante para la percepción y discriminación de texturas superficiales finas.
La superficie de la muestra se pegó a un transductor de fuerza triaxial para medir los componentes tangencial y normal de las fuerzas de contacto. Durante la exploración, se pegó un acelerómetro a la uña para medir el FIV globalmente actuando sobre el dedo.
Se utilizaron sistemas de entrada y salida de ocho canales SIRIUSi DAQ para adquirir la señal del acelerómetro y los tres componentes de la fuerza de contacto. El sistema DualCore y el alto aislamiento de los canales permitieron la adquisición de las señales inducidas por percepción táctil con extrema precisión y con muy bajo ruido de fondo, en particular, las vibraciones inducidas caracterizadas por amplitudes muy débiles.
Se realizaron análisis espectrales, FFT, PSD y espectrogramas sobre las señales de aceleración para investigar el vínculo entre las características espectrales de las vibraciones inducidas, la percepción de texturas y las topografías de las superficies. A partir de los tres componentes de la fuerza de contacto, también se calculó el coeficiente de fricción; consulte la Figura 2.
Representación háptica basada en vibraciones inducidas por fricción
Se ha desarrollado un dispositivo de renderizado táctil para recrear la percepción de texturas a distancia. El objetivo es simular estímulos táctiles previamente medidos durante la exploración de superficies a través de este dispositivo.
El dispositivo consta de un actuador piezoeléctrico de polímero electroactivo y la cadena necesaria para accionarlo. También se ha desarrollado una metodología para el procesamiento de la señal vibratoria medida en superficies, fundamental para la correcta simulación de estímulos mecánicos utilizando el actuador [1].
Al tocar la superficie del actuador guiado por la señal adecuadamente procesada, el dispositivo permite generar en la yema del dedo del usuario el mismo estímulo vibratorio previamente medido mediante la exploración de superficies reales.
Se utilizó una placa electrónica de Texas Instruments para accionar el actuador piezoeléctrico. Como entrada, esta placa acepta una señal analógica que puede generar el generador de señales integrado con Dewesoft; consulte la Figura 3.
Para reproducir correctamente la señal de aceleración medida utilizando el dispositivo táctil, debe tener en cuenta la función de transferencia del sistema electromecánico y el dedo del usuario. Al hacer esto, se puede enviar una señal aleatoria al dispositivo háptico utilizando el generador de señales integrado con Dewesoft. Se conectó un canal de salida a la placa de Texas Instruments para impulsar el actuador piezoeléctrico. La señal del acelerómetro, colocada en la uña, se adquiere como entrada.
El complemento de análisis modal disponible en Dewesoft le permite simplemente calcular y mostrar la función de respuesta de frecuencia entre la señal aleatoria enviada como entrada al dispositivo táctil y la señal acelerométrica adquirida a través de SIRIUS; consulte la Figura 4.
La Respuesta de Frecuencia del sistema, una vez caracterizada, se utiliza para procesar los FIV medidos previamente en la exploración de superficies reales [1]. La señal del acelerometro se divide, en frecuencia, por la Función de Respuesta de Frecuencia del sistema previamente calculada. La señal obtenida, reportada en el tiempo, se ingresa al dispositivo táctil para obtener la reproducción correcta del FIV en el dedo del usuario usando el actuador piezoeléctrico.
Usando el generador de funciones integrado con Dewesoft, es posible reproducir una señal arbitraria a través de los canales de salida del sistema SIRIUS; consulte la Figura 5. De esta manera, es posible controlar el actuador con la señal deseada enviada directamente como una entrada analógica a el tablero de control de Texas Instruments.
Comparando la señal de aceleración (FIV) medida en la superficie real y la recuperada con el acelerómetro en el dedo durante la vibración generada por el actuador, es posible verificar la correcta reproducción de la vibración inducida a través del dispositivo. Las señales asociadas a la superficie real y la simulada están superpuestas correctamente – ver Figura 6. En conclusión, el dispositivo piezoeléctrico para renderizado táctil simula correctamente la vibración inducida directamente en la yema del dedo del usuario por las superficies.
Tras el desarrollo y verificación del dispositivo de renderizado táctil y de la metodología necesaria para obtener una correcta simulación de la señal, llevamos a cabo campañas de discriminación –ver Figura 7- sobre muestras de superficies con diferente topografía (periódica, isotrópica…) en grupos de voluntarios. Estos han mostrado excelentes resultados en la discriminación de superficies reales y simuladas por las Vibraciones Inducidas por Fricción.
Perspectivas: estímulos táctiles y respuesta cerebral
Nace un nuevo proyecto de la colaboración entre los ingenieros de "La Sapienza", INSA, y el Laboratorio de Neurociencias Cognitivas de la Universidad de Marsella. Esto tiene como objetivo combinar el análisis tribológico y neurocientífico de la percepción táctil midiendo y analizando simultáneamente los estímulos mecánicos y electroencefalográficos (EEG) en superficies reales y simuladas.
El objetivo es reconstruir la cadena de percepción táctil a partir de la textura superficial, pasando por estímulos mecánicos, hasta la respuesta cerebral.
Se lanzó una campaña piloto para evaluar la respuesta cerebral junto con señales mecánicas (fuerzas, fricción y vibraciones) inducidas al explorar texturas superficiales.
La configuración experimental para los estímulos mecánicos es la descrita anteriormente: las fuerzas de contacto se monitorearon empleando un transductor de fuerza triaxial colocado debajo de la superficie de la muestra, mientras que las vibraciones inducidas por la fricción se midieron utilizando un acelerómetro fijado en la uña del dedo; consulte la figura. 8.
Nuevamente, Dewesoft fue muy útil para obtener mediciones precisas con poco ruido de fondo. Se utilizó un sistema SIRIUSi personalizado de 8 canales (cuatro canales de entrada BNC, tres canales de entrada STG y un canal MULTI que puede actuar, usando los adaptadores DSI apropiados, como entrada y salida) para adquirir y generar las señales analógicas.
Para permitir el marcado de las señales electroencefalográficas, las señales de voltaje provenientes del transductor de fuerza triaxial fueron divididas a través de conectores en T, mientras que la señal del acelerómetro IEPE fue adquirida como entrada y enviada por el canal de salida SIRIUS hacia el sistema de adquisición de EEG.
Referencias
[1] L. Felicetti, E. Chatelet, A. Latour, P.-H. Cornuault and F. Massi, “Tactile rendering of textures by an Electro-Active Polymer piezoelectric device: mimicking Friction-Induced Vibrations,” Biotribology, vol. 31, p. 100211, 2022.