Передо мной на столе устройство, которое и язык как-то не поворачивается назвать «джойстиком», хотя по сути это он, тот самый интерфейс. Впрочем, тот, да не совсем – теперь это изощреннейший образец нового механизма, которому суждено изменить сам характер общения между человеком и машиной.
Мы находимся в лаборатории микродинамических систем в Питтсбурге, в Университете Карнеги–Меллон, а стоящий перед нами интерфейс называется так: «хептическое устройство на принципе магнитной левитации». Аппарат угнездился в чашеобразной лунке посреди стола. Его пластиковая рукоятка торчит посреди ярко раскрашенных красных и синих магнитных вкладышей. На прикосновение устройство отвечает едва заметным гуденьем и подрагиванием.
Маленький сферический курсор на мониторе парит над равниной, утыканной какими-то небольшими корявыми конусами. С помощью джойстика я могу обследовать трехмерный ландшафт как бы на ощупь. Если я нажму на джойстик сверху вниз, крошечная летающая сфера сбросит высоту. Вот я уже тащу свой шарик прямо по ухабистой скалистой равнине, и рукоятка подрагивает в ладони. На удивление весело и смешно. Меня трясет, покуда я тащусь над кучкой пирамидок, потом плавно скольжу над равниной и тут – бэмц! – врезаюсь в массивную стенку. Я чувствую, как джойстик сопротивляется моей руке. Каждый участок в этой виртуальной игре – игровая площадка со своей собственной фактурой, и хептический контроллер как-то ухитряется переводить текстуру поверхности в такое поведение джойстика, которое вы можете почувствовать собственной рукой. Из всех данных нам чувств больше всего мы склонны игнорировать осязание, но теперь техника добралась и до него.
Хептика – это огромный мир с безграничными перспективами. От областей науки и техники, связанных с чувством осязания, тянутся практические применения, внедряющиеся во все сферы жизни – от портативных электронных устройств до роботов с дистанционным управлением. Однако за пределами научно-инженерного сообщества пока еще с этим направлением практически никто не знаком. «Люди даже не знают такого слова – хептика», – говорит Ральф Холлис, руководитель лаборатории микродинамики. Мы уже избалованы электронными устройствами, способными радовать и изумлять глаз и ухо почти неотличимой имитацией действительности, и на этом фоне уделом хептики представляются относительно незамысловатые сферы применения – погромыхивающие пульты для видеоигр да виброзуммеры, предваряющие в мобильнике обычный звуковой сигнал. «Только сейчас настало время перейти от простых клавиатур и механических переключателей к сенсорным экранам и прочим поверхностям, реагирующим на прикосновение, – говорит Майк Левин, вице-президент калифорнийской компании Immersion, специализирующейся на выпуске хептических интерфейсов. – Когда-то мы утратили связь с миром тактильных ощущений, а теперь пришло время вернуть его». Кроме того, вокруг появляется множество игр и социальных сетей, щедро украшенных красивыми трехмерными декорациями, – в них уже трудно ориентироваться, опираясь только на двумерный экран.
Если скрестить хептику с последними достижениями робототехники, мы получим отличные тренажеры для врачей – они позволят нарабатывать в виртуальной среде тончайшие навыки сложных операций. Сенсорная обратная связь становится все более четкой, еще немного, и эта технология раскроет новые возможности перед дистанционно управляемыми аппаратами, позволит с большей уверенностью маневрировать и функционировать в далекой, непривычной обстановке. Для успешной работы хептических механизмов от инженеров требуется тонкая настройка множества датчиков, приводных механизмов, магнитов и моторчиков, способных имитировать те фактуры и прикосновения, которые позволяют на ощупь пробираться по окружающему нас миру.
Искусство осязания
Хептическое устройство, которое мы видели в лаборатории микродинамики в Карнеги–Меллон, построено на принципе магнитной левитации и отлажено настолько точно, насколько это возможно при нынешнем уровне технологии. Система магнитных связей дает мгновенную реакцию – без люфтов и запаздываний, столь характерных для механических систем силовой обратной связи. Данные по координатам и усилиям обновляются 3000 раз в секунду. Устройство демонстрирует относительно высокую жесткость – порядка 400 Н на 1 см, то есть вам не удастся не заметить, когда ваш курсор упрется в препятствие. Единственный недостаток – ограниченный диапазон смещений. Плавающий джойстик способен сдвигаться только на 1 см в каждом направлении и наклоняться всего на 140. Короче, размах движений аналогичен тем, какие мы совершаем, когда пишем карандашом по бумаге.
По словам Холлиса, устройство создано исключительно для лабораторных нужд, хотя общее значение этих исследований выходит далеко за рамки компьютерно-научных приложений. «Под флагом хептики объединились исследователи из трех различных научных дисциплин, – говорит он. – Это инженеры, чье дело конструировать новые механизмы, математики, разрабатывающие эффективные алгоритмы, и психологи, старающиеся понять, как же на самом деле действует чувство осязания».
Психолог Роберта Клацки, коллега Холлиса по Карнеги–Меллон, использует это магнитолевитационное хептическое устройство для собственных исследований. Она тестирует добровольцев, выясняя, как человеку свойственно воспринимать такие ощущения, как, к примеру, шероховатость поверхности. Клацки исполнена самых радужных надежд касательно потенциальных возможностей в использовании хептической обратной связи. Вот что она говорит о применении этой технологии при торговле через интернет: «Прежде чем заказать ткань и оплатить ее по электронной почте, вы сможете попробовать материал на ощупь». Более того, «хептика позволит формировать такие осязательные ощущения, которые, живя в нашем материальном мире, вы бы никогда не смогли пережить».
Технология, которую можно пощупать
В бытовой электронике тактильная обратная связь должна выглядеть убедительно для пользователя и не противоречить самому характеру устройства. Чувство прикосновения делится на две категории – это тактильные ощущения через поверхность кожи (так мы ощущаем пупырчатую фактуру баскетбольного мяча) или более глубокие кинестетические импульсы, поступающие от мускулов и сухожилий (так воспринимается удар по бейсбольному мячу, когда бита у нас в руках). Уже есть такое снаряжение для видеоигр (например, куртка TN Games 3rd Space и шлем HXT), где ощущения второго рода имитируются встроенным воздушным компрессором – когда летящая из экрана пуля попадает в игрока, он для убедительности получает в голову воздушный импульс под давлением в пару атмосфер. Впрочем, современные исследования в этой области сосредоточены на том, как убедить пальцы, прикасающиеся к сенсорному экрану, в наличии кнопок, которых на самом деле нет.
Такие производители, как LG, Motorola, Neonode и Samsung, уже выпускают оборудование, где виртуальные, не существующие в действительности кнопки на экранах тем не менее определяются на ощупь. Для этого используются микромоторы с эксцентриками наподобие виброзвонка в мобильнике. Каждый раз, когда палец касается виртуальной кнопки на экране, включается такой вибратор. Сейчас Nokia разрабатывает проект мобильного устройства под кодовым названием Hapticos (см. врезку).
Если пользователь нажимает на ничего не значащий участок экрана, он не получит в ответ никакого сигнала, но стоит прикоснуться к виртуальной кнопке – и вибрации экрана сымитируют ощущение, возникающее, когда кнопка со щелчком уходит вглубь. Изменяя характер вибраций, создатель прибора может сделать так, чтобы разные воздействия вызывали различную реакцию. Так, в ответ на круговое движение пальцем экран ответит щелчком, а если пальцем провести по экрану, то можно будет почувствовать шершавую фактуру наподобие наждачной шкурки.
Чувствительные поверхности с хептической обратной связью – огромное подспорье для инженеров, создающих новую технику. На выставке бытовой электроники Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе в этом году компания 3М совместно с известным поставщиком автопрома компанией Visteon продемонстрировали концепт-кар, оборудованный хептическими органами управления. Все ручки и кнопки появлялись на панели управления только в тот момент, когда к ним приближалась рука водителя.
Трехмерной виртуальной среде хептика добавляет реалистические штрихи. Во время странствий по трехмерному миру, отображенному на двумерный экран, бывает весьма полезно не только увидеть, но и физически ощутить, что ты врезался или уперся в какое-то препятствие. Сегодня виртуальные миры связаны в основном с компьютерными играми, однако есть еще целый класс онлайновых сетевых служб социальной направленности – таких как Second Life или обучающие программы типа Forterra Olive, – где люди встречаются и взаимодействуют в подробно проработанной трехмерной виртуальной среде. Novint Falcon – первый трехмерный хептический интерфейс, предложенный на рынке для массового покупателя. Клиент может пробираться по различным виртуальным пространствам, ориентируясь на ощупь. Существенно модернизированный джойстик служит послушным органом управления с электромеханической силовой обратной связью. Стоит вам упереться в виртуальную стенку, и этот контакт сразу ощутит ваша рука, а если вы забредете в воду, движения станут скованными и медлительными.
Но самая изощренная реализация хептических идей ждет нас в таких практических сферах, как промышленность, военное дело и медицина. Компания Immersion, лидирующая в разработке почти всех вариантов силовой обратной связи в мобильных телефонах с хептическими функциями, занимается также созданием разнообразных экзоскелетов, перчаток и т.п., которые позволяют захватывать виртуальные объекты, формировать их и совершать с ними различные манипуляции. В совокупности все эти устройства составляют систему CyberForce, где объединяется трехмерное позиционирование руки в виртуальном пространстве с силовой обратной связью по каждому отдельно взятому пальцу. Автомобилестроители и компания Boeing применяют подобные устройства в компьютерном проектировании, а военные хотели бы использовать их для управления роботами при обезвреживании мин.
Но, пожалуй, наиболее убедительно хептические технологии выглядят в медицинских приборах. Компании Immersion и SensAble Technologies разрабатывают несколько обучающих устройств – в них хирурги, осваивая такие процедуры, как эндоскопия и лапароскопия, могут полагаться на тактильные ощущения в качестве обратной связи.
Сегодня мы наблюдаем лишь начало мощного течения. Волна инноваций стремительно растет. На ее пути лишь два препятствия – время и нынешняя моощность компьютеров. «Мне думается, что хептика сейчас примерно в том состоянии, в каком был интернет в начале 1990-х, – говорит Том Андерсон, исполнительный директор компании Novint. – Пока еще мало кто знает, но это из тех направлений, которые еще при нашей жизни радикально изменят компьютерную сферу».
Маленький сферический курсор на мониторе парит над равниной, утыканной какими-то небольшими корявыми конусами. С помощью джойстика я могу обследовать трехмерный ландшафт как бы на ощупь. Если я нажму на джойстик сверху вниз, крошечная летающая сфера сбросит высоту. Вот я уже тащу свой шарик прямо по ухабистой скалистой равнине, и рукоятка подрагивает в ладони. На удивление весело и смешно. Меня трясет, покуда я тащусь над кучкой пирамидок, потом плавно скольжу над равниной и тут – бэмц! – врезаюсь в массивную стенку. Я чувствую, как джойстик сопротивляется моей руке. Каждый участок в этой виртуальной игре – игровая площадка со своей собственной фактурой, и хептический контроллер как-то ухитряется переводить текстуру поверхности в такое поведение джойстика, которое вы можете почувствовать собственной рукой. Из всех данных нам чувств больше всего мы склонны игнорировать осязание, но теперь техника добралась и до него.
Хептика – это огромный мир с безграничными перспективами. От областей науки и техники, связанных с чувством осязания, тянутся практические применения, внедряющиеся во все сферы жизни – от портативных электронных устройств до роботов с дистанционным управлением. Однако за пределами научно-инженерного сообщества пока еще с этим направлением практически никто не знаком. «Люди даже не знают такого слова – хептика», – говорит Ральф Холлис, руководитель лаборатории микродинамики. Мы уже избалованы электронными устройствами, способными радовать и изумлять глаз и ухо почти неотличимой имитацией действительности, и на этом фоне уделом хептики представляются относительно незамысловатые сферы применения – погромыхивающие пульты для видеоигр да виброзуммеры, предваряющие в мобильнике обычный звуковой сигнал. «Только сейчас настало время перейти от простых клавиатур и механических переключателей к сенсорным экранам и прочим поверхностям, реагирующим на прикосновение, – говорит Майк Левин, вице-президент калифорнийской компании Immersion, специализирующейся на выпуске хептических интерфейсов. – Когда-то мы утратили связь с миром тактильных ощущений, а теперь пришло время вернуть его». Кроме того, вокруг появляется множество игр и социальных сетей, щедро украшенных красивыми трехмерными декорациями, – в них уже трудно ориентироваться, опираясь только на двумерный экран.
Если скрестить хептику с последними достижениями робототехники, мы получим отличные тренажеры для врачей – они позволят нарабатывать в виртуальной среде тончайшие навыки сложных операций. Сенсорная обратная связь становится все более четкой, еще немного, и эта технология раскроет новые возможности перед дистанционно управляемыми аппаратами, позволит с большей уверенностью маневрировать и функционировать в далекой, непривычной обстановке. Для успешной работы хептических механизмов от инженеров требуется тонкая настройка множества датчиков, приводных механизмов, магнитов и моторчиков, способных имитировать те фактуры и прикосновения, которые позволяют на ощупь пробираться по окружающему нас миру.
Искусство осязания
Хептическое устройство, которое мы видели в лаборатории микродинамики в Карнеги–Меллон, построено на принципе магнитной левитации и отлажено настолько точно, насколько это возможно при нынешнем уровне технологии. Система магнитных связей дает мгновенную реакцию – без люфтов и запаздываний, столь характерных для механических систем силовой обратной связи. Данные по координатам и усилиям обновляются 3000 раз в секунду. Устройство демонстрирует относительно высокую жесткость – порядка 400 Н на 1 см, то есть вам не удастся не заметить, когда ваш курсор упрется в препятствие. Единственный недостаток – ограниченный диапазон смещений. Плавающий джойстик способен сдвигаться только на 1 см в каждом направлении и наклоняться всего на 140. Короче, размах движений аналогичен тем, какие мы совершаем, когда пишем карандашом по бумаге.
По словам Холлиса, устройство создано исключительно для лабораторных нужд, хотя общее значение этих исследований выходит далеко за рамки компьютерно-научных приложений. «Под флагом хептики объединились исследователи из трех различных научных дисциплин, – говорит он. – Это инженеры, чье дело конструировать новые механизмы, математики, разрабатывающие эффективные алгоритмы, и психологи, старающиеся понять, как же на самом деле действует чувство осязания».
Психолог Роберта Клацки, коллега Холлиса по Карнеги–Меллон, использует это магнитолевитационное хептическое устройство для собственных исследований. Она тестирует добровольцев, выясняя, как человеку свойственно воспринимать такие ощущения, как, к примеру, шероховатость поверхности. Клацки исполнена самых радужных надежд касательно потенциальных возможностей в использовании хептической обратной связи. Вот что она говорит о применении этой технологии при торговле через интернет: «Прежде чем заказать ткань и оплатить ее по электронной почте, вы сможете попробовать материал на ощупь». Более того, «хептика позволит формировать такие осязательные ощущения, которые, живя в нашем материальном мире, вы бы никогда не смогли пережить».
Технология, которую можно пощупать
В бытовой электронике тактильная обратная связь должна выглядеть убедительно для пользователя и не противоречить самому характеру устройства. Чувство прикосновения делится на две категории – это тактильные ощущения через поверхность кожи (так мы ощущаем пупырчатую фактуру баскетбольного мяча) или более глубокие кинестетические импульсы, поступающие от мускулов и сухожилий (так воспринимается удар по бейсбольному мячу, когда бита у нас в руках). Уже есть такое снаряжение для видеоигр (например, куртка TN Games 3rd Space и шлем HXT), где ощущения второго рода имитируются встроенным воздушным компрессором – когда летящая из экрана пуля попадает в игрока, он для убедительности получает в голову воздушный импульс под давлением в пару атмосфер. Впрочем, современные исследования в этой области сосредоточены на том, как убедить пальцы, прикасающиеся к сенсорному экрану, в наличии кнопок, которых на самом деле нет.
Такие производители, как LG, Motorola, Neonode и Samsung, уже выпускают оборудование, где виртуальные, не существующие в действительности кнопки на экранах тем не менее определяются на ощупь. Для этого используются микромоторы с эксцентриками наподобие виброзвонка в мобильнике. Каждый раз, когда палец касается виртуальной кнопки на экране, включается такой вибратор. Сейчас Nokia разрабатывает проект мобильного устройства под кодовым названием Hapticos (см. врезку).
Если пользователь нажимает на ничего не значащий участок экрана, он не получит в ответ никакого сигнала, но стоит прикоснуться к виртуальной кнопке – и вибрации экрана сымитируют ощущение, возникающее, когда кнопка со щелчком уходит вглубь. Изменяя характер вибраций, создатель прибора может сделать так, чтобы разные воздействия вызывали различную реакцию. Так, в ответ на круговое движение пальцем экран ответит щелчком, а если пальцем провести по экрану, то можно будет почувствовать шершавую фактуру наподобие наждачной шкурки.
Чувствительные поверхности с хептической обратной связью – огромное подспорье для инженеров, создающих новую технику. На выставке бытовой электроники Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе в этом году компания 3М совместно с известным поставщиком автопрома компанией Visteon продемонстрировали концепт-кар, оборудованный хептическими органами управления. Все ручки и кнопки появлялись на панели управления только в тот момент, когда к ним приближалась рука водителя.
Трехмерной виртуальной среде хептика добавляет реалистические штрихи. Во время странствий по трехмерному миру, отображенному на двумерный экран, бывает весьма полезно не только увидеть, но и физически ощутить, что ты врезался или уперся в какое-то препятствие. Сегодня виртуальные миры связаны в основном с компьютерными играми, однако есть еще целый класс онлайновых сетевых служб социальной направленности – таких как Second Life или обучающие программы типа Forterra Olive, – где люди встречаются и взаимодействуют в подробно проработанной трехмерной виртуальной среде. Novint Falcon – первый трехмерный хептический интерфейс, предложенный на рынке для массового покупателя. Клиент может пробираться по различным виртуальным пространствам, ориентируясь на ощупь. Существенно модернизированный джойстик служит послушным органом управления с электромеханической силовой обратной связью. Стоит вам упереться в виртуальную стенку, и этот контакт сразу ощутит ваша рука, а если вы забредете в воду, движения станут скованными и медлительными.
Но самая изощренная реализация хептических идей ждет нас в таких практических сферах, как промышленность, военное дело и медицина. Компания Immersion, лидирующая в разработке почти всех вариантов силовой обратной связи в мобильных телефонах с хептическими функциями, занимается также созданием разнообразных экзоскелетов, перчаток и т.п., которые позволяют захватывать виртуальные объекты, формировать их и совершать с ними различные манипуляции. В совокупности все эти устройства составляют систему CyberForce, где объединяется трехмерное позиционирование руки в виртуальном пространстве с силовой обратной связью по каждому отдельно взятому пальцу. Автомобилестроители и компания Boeing применяют подобные устройства в компьютерном проектировании, а военные хотели бы использовать их для управления роботами при обезвреживании мин.
Но, пожалуй, наиболее убедительно хептические технологии выглядят в медицинских приборах. Компании Immersion и SensAble Technologies разрабатывают несколько обучающих устройств – в них хирурги, осваивая такие процедуры, как эндоскопия и лапароскопия, могут полагаться на тактильные ощущения в качестве обратной связи.
Сегодня мы наблюдаем лишь начало мощного течения. Волна инноваций стремительно растет. На ее пути лишь два препятствия – время и нынешняя моощность компьютеров. «Мне думается, что хептика сейчас примерно в том состоянии, в каком был интернет в начале 1990-х, – говорит Том Андерсон, исполнительный директор компании Novint. – Пока еще мало кто знает, но это из тех направлений, которые еще при нашей жизни радикально изменят компьютерную сферу».
Обсуждения Технология осязания