Rendering tattile: una sfida aperta verso il futuro della realtà virtuale

Una grande sfida sociale e tecnologica è quella di realizzare un rendering tattile allo stesso livello di precisione e realismo con cui gestiamo il rendering visivo ed uditivo. 

Negli ultimi decenni, la tecnologia del rendering visivo ed uditivo ha fatto notevoli progressi, portando alla diffusione di display ad alta risoluzione e sistemi audio di alta qualità nella nostra vita quotidiana.

Ma siamo in grado di simulare il senso del tatto? 

La simulazione del senso del tatto, o rendering tattile, è un campo di ricerca attivo che offre interessanti possibilità di applicazione come l'intrattenimento, la medicina, la biomedicina ed il commercio digitale.

Ad esempio, grazie a questa simulazione, potremmo avere un  feedback tattile integrato nei touchscreen dei dispositivi mobili e percepire a distanza la texture di un oggetto che desideriamo acquistare online. Si otterrebbe così una sensazione tattile realistica anche senza toccarlo fisicamente. Inoltre, nei contesti virtuali come la realtà aumentata, i videogiochi o i film, l'uso di guanti tattili potrebbe consentirci di sperimentare la sensazione di strutture e fibre diverse durante l'interazione con gli ambienti virtuali.

Non a caso ricercatori provenienti da diverse discipline stanno collaborando per comprendere meglio i meccanismi alla base della percezione tattile e sviluppare tecnologie in grado di riprodurli artificialmente. 

Ma facciamo un passo indietro

L’essere umano apprende ed interagisce col mondo che lo circonda attraverso i 5 sensi: la vista, l’udito, il tatto, il gusto e l’odorato. Il senso della vista è mediato da onde elettromagnetiche, l’udito da onde di pressione, il gusto e l’odorato da interazioni biochimiche.

Il senso del tatto è considerato il più complesso e meno compreso dei sensi umani. Per poter percepire il tatto, è necessaria un'interazione diretta con l'oggetto di percezione, che genera stimoli meccanici attraverso l'intero sistema muscoloscheletrico. La comprensione di come vengono generati questi stimoli durante l'interazione con le superfici ed il loro ruolo sinergico nella percezione tattile è ancora oggetto di studio e ricerca.

Il progetto attuale si concentra sullo studio dei segnali meccanici che sottostanno alla percezione tattile delle texture superficiali e sull'obiettivo di sviluppare un dispositivo di rendering tattile in grado di riprodurre la sensazione delle superfici anche a distanza.

Lo studio è portato avanti nell’ambito di una collaborazione fra i gruppi di Tribologia e Dinamica dei Sistemi del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Aerospaziale (DIMA) dell’Università “La Sapienza” di Roma e del Laboratorio di Meccanica dei Contatti e delle Strutture (LaMCoS) dell’Istituto Nazionale delle Scienze Applicate (INSA) di Lione, Francia.

Questo progetto si inquadra in un contesto più ampio, fortemente internazionale, che vede laboratori di Ingegneria, Neuroscienze, Psicologia, interfacciarsi per comprendere e simulare in maniera multidisciplinare il più complesso dei 5 sensi.

Misura ed analisi degli stimoli tattili

L'interazione tattile tra il dito e la superficie esplorata genera diversi stimoli meccanici che vengono rilevati dai meccanocettori presenti nella pelle, nei muscoli e nei legamenti. Questi stimoli includono forze di contatto, attrito, vibrazioni, temperatura e deformazione della pelle. Quando i meccanocettori vengono deformati a causa di tali stimoli meccanici, si genera un potenziale elettrico alle terminazioni nervose connesse ai recettori. Successivamente, una corrente viene trasmessa attraverso il sistema nervoso fino al cervello, dove gli stimoli vengono decodificati ed interpretati, consentendo la percezione tattile.

Il setup sperimentale (Fig.1) è stato utilizzato per misurare gli stimoli tattili generati sul dito durante l'esplorazione di superfici campione con una nota topografia. Il setup sviluppato consente la misura sia delle forze di contatto sia delle Vibrazioni Indotte dall'Attrito (FIV, Friction-Induced Vibrations), che sono vibrazioni generate dal contatto strisciante tra il dito e la superficie.

Questo setup sperimentale permette di acquisire dati dettagliati ed accurati sugli stimoli tattili durante l'esplorazione delle superfici campione. Le informazioni che ne risultono sono fondamentali per studiare la percezione e la discriminazione delle texture superficiali fini.

Per misurare le componenti tangenziali e normali delle forze di contatto, la superficie campione viene incollata su un trasduttore di forza triassiale. Questo trasduttore consente la misura delle forze applicate lungo tre direzioni: orizzontale, verticale e laterale. Inoltre, un accelerometro viene incollato sull'unghia per misurare le FIV che agiscono globalmente sul dito durante l'esplorazione.

Per acquisire il segnale dell'accelerometro e le tre componenti della forza di contatto, è stato impiegato il sistema di acquisizione dati (DAQ) Dewesoft denominato SIRIUSi, che dispone di 8 canali di input ed 8 canali di output. Il sistema SIRIUSi è dotato di una tecnologia DualCore che garantisce un’altissima precisione nella registrazione dei segnali ed un rumore di fondo estremamente ridotto. Questo sistema offre un isolamento avanzato dei canali, consentendo di acquisire con grande precisione i segnali legati alla percezione tattile, in particolare le vibrazioni indotte che sono spesso caratterizzate da ampiezze molto deboli. 

Nell'ambito dello studio, sono state effettuate analisi spettrali come la Trasformata di Fourier (FFT), la Densità Spettrale di Potenza (PSD) e lo Spettrogramma sui segnali di accelerazione registrati. Queste analisi sono state condotte al fine di investigare la relazione tra le caratteristiche spettrali delle vibrazioni indotte, la percezione delle texture e le topografie delle superfici esplorate.

Inoltre, a partire dalle tre componenti della forza di contatto, è stato calcolato il coefficiente di attrito (Fig.2). Questo parametro fornisce informazioni sulla resistenza al movimento tra il dito e la superficie, che può influenzare la percezione tattile delle texture.

Rendering tattile sulla base delle Vibrazioni Indotte dall’Attrito

Nel contesto della ricerca, è stato sviluppato un dispositivo di rendering tattile con l'obiettivo di riprodurre la percezione delle texture anche a distanza. L'obiettivo principale del dispositivo è simulare gli stimoli tattili che sono stati precedentemente misurati durante l'esplorazione di superfici reali.

Il dispositivo descritto è composto da un attuatore piezoelettrico a polimero elettro-attivo e da una catena di controllo che consente di guidarlo. È inoltre stata sviluppata una metodologia di processing del segnale vibrazionale misurato sulle superfici reali, indispensabile per la corretta simulazione degli stimoli meccanici mediante l’attuatore [1].

Toccando la superficie dell’attuatore, guidato dal segnale opportunamente processato, il dispositivo consente di generare sul polpastrello dell’utilizzatore lo stesso stimolo vibrazionale precedentemente misurato esplorando le superfici reali. 

Per controllare l'attuatore piezoelettrico a polimero elettro-attivo, è stata impiegata una scheda elettronica della Texas Instruments. Questa scheda è progettata per accettare un segnale analogico in ingresso, che può essere generato utilizzando il Generatore di Segnale integrato nel software DewesoftX (Fig.3).

Per garantire una corretta riproduzione del segnale di accelerazione tramite il dispositivo tattile, è importante considerare la funzione di trasferimento del sistema elettro-meccanico, nonché le caratteristiche del dito dell'utilizzatore. A tale scopo, è possibile utilizzare il generatore di segnale integrato in Dewesoft per inviare un segnale casuale al dispositivo tattile.

Un canale di output del sistema DAQ SIRIUSi è stato collegato alla scheda Texas Instruments per controllare l'attuatore piezoelettrico. Il segnale proveniente dall'accelerometro posizionato sull'unghia del dito viene così acquisito come segnale di ingresso.

Utilizzando il plug-in modal testing di Dewesoft, è possibile calcolare e visualizzare facilmente la Funzione di Risposta in Frequenza tra il segnale casuale inviato al dispositivo tattile ed il segnale di accelerazione acquisito tramite il sistema DAQ SIRIUSi (Fig.4).

Una volta che la Risposta in Frequenza del sistema è stata caratterizzata, viene utilizzata per elaborare le Vibrazioni Indotte dall'Attrito (FIV) precedentemente misurate durante l'esplorazione delle superfici reali [1]. Il segnale accelerometrico viene suddiviso in frequenza, utilizzando la Funzione di Risposta in Frequenza calcolata in precedenza. Il segnale risultante, riportato nel dominio del tempo, viene quindi utilizzato come input per il dispositivo tattile al fine di riprodurre correttamente le FIV sul polpastrello dell'utilizzatore mediante l'attuatore piezoelettrico.

Attraverso l'utilizzo del Generatore di Funzioni integrato in Dewesoft, è possibile generare un segnale arbitrario che può essere inviato ai canali di output del sistema di acquisizione SIRIUS (Fig.5). In questo modo, è possibile controllare l'attuatore con il segnale desiderato, che viene trasmesso come input analogico alla scheda di controllo Texas Instruments.

Confrontando i segnali di accelerazione (FIV) misurati sulla superficie reale e tramite l'accelerometro sul dito durante la vibrazione generata dall'attuatore, si verifica la corretta riproduzione delle vibrazioni tramite il dispositivo. I segnali associati alla superficie reale e simulata risultano sovrapposti correttamente (Fig.6). In conclusione, il dispositivo piezoelettrico per il rendering tattile sviluppato simula in modo accurato la vibrazione indotta dalle superfici direttamente sul polpastrello dell'utilizzatore.

Dopo aver concluso il processo di sviluppo e verifica del nostro dispositivo di rendering tattile, così come della metodologia adottata per ottenere una simulazione precisa del segnale, abbiamo proceduto a condurre delle campagne di discriminazione (Fig.7). Durante queste campagne, abbiamo sottoposto gruppi di volontari a superfici campione con diverse caratteristiche topografiche, come periodicità ed isotropia. I risultati ottenuti durante queste valutazioni sono stati estremamente positivi, sia per quanto riguarda la capacità di discriminazione tra le superfici reali che per quelle simulate attraverso l'utilizzo delle Vibrazioni Indotte dall'Attrito.

Prospettive: stimoli tattili e risposta cerebrale

Dalla collaborazione tra gli ingegneri dell'Università "La Sapienza" di Roma, dell'INSA di Lione ed il Laboratorio di Neuroscienze Cognitive dell'Università di Marsiglia sta nascendo un progetto volto a misurare ed analizzare simultaneamente gli stimoli meccanici ed elettroencefalografici (EEG) su superfici reali e simulate. 

L'obiettivo è combinare l'analisi tribologica e la neuroscienza per comprendere la percezione tattile, ricostruendo la catena che va dalla texture superficiale agli stimoli meccanici fino alla risposta cerebrale.

È stata avviata una campagna pilota per valutare la risposta cerebrale in relazione ai segnali meccanici (forze, attrito e vibrazioni) generati dall'esplorazione di texture superficiali. Il setup sperimentale per la registrazione degli stimoli meccanici prevede l'utilizzo di un trasduttore di forza triassiale posizionato sotto la superficie campione e di un accelerometro montato sull'unghia del dito per misurare le vibrazioni indotte dall'attrito (Fig. 8).

Per ottenere misure precise e con basso rumore di fondo, è stato impiegato il sistema Dewesoft. Un sistema di acquisizione personalizzato SIRIUSi ad 8 canali (4 canali input BNC, 3 canali input STG ed un canale MULTI che può fungere sia da input che da output tramite gli adattatori DSI appropriati) è stato utilizzato per acquisire e generare segnali analogici. Per consentire la registrazione dei segnali elettroencefalografici, i segnali di tensione provenienti dal trasduttore di forza triassiale sono stati sdoppiati utilizzando connettori a T. In questo modo, il segnale acquisito dall'accelerometro IEPE è stato acquisito in input ed inviato come output dal canale del sistema SIRIUS verso il sistema di acquisizione degli EEG.

Riferimenti

[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.