Produktutveckling med haptik i praktiken

Den växande populariteten och användarvänligheten hos enheter som utnyttjar digitala verktyg och tjänster motiverar fler produktutvecklare att integrera haptisk teknik som garanterar ett bättre användarengagemang och skapar mer fängslande upplevelser. Förbättringar av digitala gränssnitt med beröringsbaserade förnimmelser tillför taktil interaktion och skapar ytterligare upplevelser som kompletterar eller överträffar syn och hörsel. Konstruktörer som vill utnyttja haptiska funktioner kan dra nytta av lättillgängliga komponenter för att ta fram nya användningsområden och affärsmöjligheter.

Haptik nyttjas redan i mycket vanliga konsumentprodukter, i allt från smartphones och bilar till försäljningsställen och bankomater. Haptik används även i medicintekniska produkter och kirurgiska verktyg, industri- och tillverkningsmaskiner samt i tillämpningar för fastighetsautomation.

Haptikens ursprung går tillbaka till 1880 då Pierre och Jacques Curie demonstrerade att den piezoelektriska effekten hos vissa material kunde generera en liten elektrisk laddning vid applicering av en mekanisk kraft. Den omvända piezoelektriska effekten genererar en fysisk rörelse i ett material när en spänning appliceras och användes för att utveckla tidiga ultraljudssystem för ubåtsdetektering och radiosystem i flygfarkoster. Samma principer ligger till grund för de ställdon och omvandlare som ofta används i små högtalare, mikrofoner och till och med i gratulationskort som spelar upp musik.

Genom att kombinera haptiska funktioner med virtuell verklighet (VR), förstärkt verklighet (AR) och sakernas internet (IoT) kan användarnas engagemang i befintliga enheter förbättras avsevärt, och bana väg för nya tillämpningar. Piezoelektriska haptiska enheter tillför en realistisk känsla i virtuella interaktioner med hjälp av vibrationer som skapar ett naturligt och inkluderande gensvar, som exempelvis vid simulering av spelupplevelser, från racing till avfyrning av vapen.

För att uppfatta viktiga varningar kan haptik spela en avgörande roll för att hantera faktorer som begränsar syn eller hörsel. I medicintekniska miljöer kan haptik exempelvis hjälpa läkare att reagera snabbare på flera olika stimulus, vilket kan vara livräddande i situationer där varje sekund kan utgöra skillnaden mellan liv och död.

Framtidsutsikter: tillämpningar och användningsfall

Haptikens potential begränsas enbart av produktutvecklarens visioner. I takt med att förstärkt och virtuell verklighet blir allt populärare, och artificiell intelligens (AI) och maskininlärning (ML) fortsätter att utvecklas, kommer haptik sannolikt att spela en framträdande roll i att ge alltmer fängslande digitala upplevelser inom en rad olika branscher, inklusive:

• Medicintekniska områden, där haptik redan har börjat användas inom robotassisterad kirurgi och invasiva tandbehandlingar, för att bidra till att återskapa den upplevelse av beröring och känsla som läkare får genom år av yrkesutövande. I kombination med virtuell verklighet kan haptik förbättra inlärningen av medicinska färdigheter genom att simulera verkliga ingrepp på ett sätt som skapar praktiska erfarenheter, allt från att hantera en skalpell till att palpera ett hjärta. Haptik kan leda till framsteg inom rehabilitering av patienter med funktionsnedsättande skador, hjälpa strokepatienter att på nytt lära sig viktiga motoriska färdigheter och skapa möjligheter för amputerade att övervinna begränsningarna hos mekaniska proteser.
• Användningsfall inom fordonsindustrin, där haptik redan ger bilförare taktila varningar vid körfältsbyten och för att man inte håller i ratten ordentligt. Smartwatch-integration med navigationssystem kan varna användare för kommande svängar, vilket minskar behovet av att flytta blicken till kartor på de inbyggda skärmarna.
• Industri och tillverkning, där operatörer av tunga maskiner och anställda vid produktionslinjer lätt kan distraheras av behovet att snegla på knappar eller skärmar. Haptik kan hjälpa dem att behålla fokus på uppgifter framför eller bakom dem samtidigt som de bekräftar att de gjort rätt val utan att titta åt sidan. Haptik kan integreras i handskar och kläder för att möjliggöra exakt fjärrstyrning av maskiner, noggrannhet vid plockning och för att ge feedback eller varningar i potentiellt farliga miljöer.
• Detaljhandel och finansiella tjänster, där kunder upplever haptik i vanlig vardagshantering med kassasystem och bankomater, som t.ex. när de bekräftar interaktioner med kort och mobila enheter. Kombinationen av haptik och förstärkt-/virtuell verklighet har potential att skapa innehållsrika shoppingupplevelser online, där konsumenter kan återskapa vad de förväntar sig av en fysisk butik virtuellt.
• Konsumentelektronik, som har visat sig vara mogen för haptik. Den första smartphonen med haptik introducerades på Consumer Electronics Show år 2000 och tekniken började snabbt användas för smartphones från Android och Apple, till en början för att förbättra användarupplevelsen när man skriver på virtuella tangentbord eller trycker på skärmens symboler. Men haptiken nådde framgångar redan under 90-talet när den berikade upplevelsen i tv-spel med handkontroller och tillbehör som t.ex. styrspakar som gav taktil feedback i bland annat bil- och skjutspel. Med den ständiga utvecklingen av konsumentutrustning och digitala tjänster – från fitnessarmband till headset och glasögon för förstärkt-/virtuell verklighet – tävlar produktutvecklare om att utveckla nya funktioner som gör den digitala världen lika påtaglig som den fysiska.

Komponenter för framgång: alternativ för alla behov

Produktutvecklare kan använda lättillgängliga komponentsortiment för att skapa haptiska gränssnitt som passar deras specifikationer och tillämpningsbehov.

Det första steget är att förstå skillnaderna mellan tillgängliga tekniker och deras konstruktionskrav. Elektromekaniska komponenter är den vanligaste tekniken för att leverera haptiska gensvar. De delas vanligen in i följande huvudkategorier:

• ERM-enheter (Eccentric Rotating Mass), använder en icke-centrerad roterande massa som är ansluten till en likströmsmotor för att generera vibrationer som kan skapa lågfrekventa "mullrande" förnimmelser (figur 1). Enheten vibrerar med en frekvens som står i direkt relation till enhetens drivspänning. Eftersom det går fort för den roterande motorn att uppnå önskad hastighet när spänning tillförs, och att bromsa motorn till stopp, är de bäst lämpade för tillämpningar där en märkbar vibrationseffekt krävs men exakta vibrationsmönster inte är en absolut nödvändighet. PUI Audio har flera ERM-enheter, inklusive den ytmonterade HD-EMB1104-SM-2, som har en kraftfull haptisk återkoppling i en liten kapsling med måtten 3,4 x 4,4 x 11 mm. Den är användbar inom segmenten medicinteknik, fordon och industri, för konsumentenheter, bärbara enheter och säkerhetsutrustning. Ett annat alternativ är den borstlösa ERM-enheten HD-EM0602-LW15-R för likström från PCI Audio som har förbättrad styrning av hastighet och vridmoment samt längre livslängd än enheter med borstar.

Figur 1: Sprängskiss av en ERM-enhet (Källa: PUI Audio)

• LRA-enheter (Linear Resonant Actuator) (figur 2) drivs med växelström och producerar en vibration i två riktningar längs en axel, vilket möjliggör högupplösta, lätthanterade vibrationsmönster för att ge information till användaren. LRA-enheter skapar vibrationer genom att flytta massan i en linjär riktning när spolen exciteras med frekvensen och spänningen hos den signal som appliceras för enheten, vilket ger oberoende kontroll av både vibrationsstyrka och frekvens. Till skillnad från ERM-enheter känner användaren av en vibration i en LRA-utrustad enhet så snart spolen exciteras och massan rör sig uppåt eller nedåt. Tekniken är besläktad med traditionella högtalare där en spole exciteras av en vågform för att få en magnet och ett membran att röra sig och generera ljudvågor. HD-LA1307-SM från PUI Audio är en vattentät, IP-klassificerad, ytmonterad LRA-enhet som möjliggör sömlös integration i olika sluttillämpningar, som t.e.x miljöer med virtuell verklighet, spelkonsoler, medicintekniska simulatorer, handhållna enheter samt styrgränssnitt för konsument och industri.

Figur 2: Sprängskiss av en LRA. (Källa: PUI Audio)

• Talspolemotorer (Voice Voil Motors), även kallade ställdon med talspole (Voice Coil Actuators) (figur 3), använder samma teknik med talspolar som LRA-enheter men är ännu mer jämförbara med högtalare. En massa rör sig linjärt, som i en LRA-enhet, men med ökad storlek och massa, vilket ger en mer påtaglig och realistisk vibrationseffekt än vad som kan replikeras med en LRA-enhet. Den cylindriska talspolemotorn HD-VA2527 från PUI Audio skapar flexibla och komplexa vibrationseffekter.

Figur 3: Sprängskiss av ett ställdon med talspole. (Källa: PUI Audio)

• Piezoelektriska haptiska komponenter, eller sumrar, baseras på den omvända piezoelektriska effekten och består av platta lager av ett aktivt piezoelektriskt material som böjs och dras ihop när spänning appliceras, för att skapa ljud och vibrationer. De finns tillgängliga i form av skivor, som t.ex. HD-PAB1501 och som remsor, som t.ex. HD-PAS2507 från PUI Audio. Sumrar kan förmedla mer komplexa och detaljerade signaler, som t.ex. ljudet av ett hjärtslag, med en aldrig tidigare skådad känsla av realism. Komponenterna har större förflyttningsprecision, snabbare gensvar, betydligt större genereringskraft och en längre livslängd. De kräver en högre spänning än ERM- och LRA-enheter, men konstruktörer kan använda integrerade kretsar med "summerdrivenheter" för att uppfylla spänningskraven från lågspänningskällor.

Sammanfattning

Produktutvecklare kan dra nytta av ett stort sortiment av komponenter för att integrera haptik i sina enheter. De måste utvärdera vilken typ av vibration som är lämplig för deras konstruktion samt fördelarna och begränsningarna med respektive enhet för att uppfylla konstruktionens specifikationer, slutanvändarens behov och specifika tillämpningar. Med rätt konstruktionsval är det möjligt att skapa nya produkter med haptik som stimulerar nya affärsmöjligheter.