Conception de produits à technologie haptique en pratique

La popularité et l'utilité croissantes d'appareils exploitant les outils et services numériques motivent de plus en plus de concepteurs à intégrer une technologie haptique qui garantit une plus grande interaction des utilisateurs et offre des expériences plus immersives. L'amélioration des interfaces numériques avec des sensations basées sur le toucher ajoute une interaction tactile, créant des expériences supplémentaires qui complètent ou s'étendent au-delà de la vue et de l'ouïe. Les concepteurs qui souhaitent exploiter les capacités haptiques peuvent tirer parti de composants facilement disponibles pour poursuivre de nouveaux cas d'utilisation et de nouvelles opportunités commerciales.

L'haptique est déjà utilisée dans de nombreux produits grand public très visibles, s'étendant des smartphones aux automobiles en passant par les dispositifs de point de vente et les distributeurs automatiques de billets. Elle est également utilisée dans les dispositifs médicaux et les outils chirurgicaux, les machines industrielles et de fabrication, ainsi que dans les applications immotiques.

Les origines de l'haptique remontent à 1880, lorsque Pierre et Jacques Curie ont démontré l'effet piézoélectrique de certains matériaux pour générer une petite charge électrique en appliquant une force mécanique. L'effet piézoélectrique inverse génère une déformation physique d'un matériau lorsqu'une tension est appliquée, et il a été utilisé pour développer les premiers systèmes radio aéroportés et de détection sous-marine à ultrasons. Ces mêmes principes sont au cœur des actionneurs et des transducteurs fréquemment utilisés dans les petits haut-parleurs, les microphones et même les cartes-cadeaux musicales.

La combinaison des capacités haptiques avec la réalité virtuelle (VR), la réalité augmentée (AR) et l'Internet des objets (IoT) offre le potentiel de considérablement améliorer l'interaction des utilisateurs avec les dispositifs existants et d'ouvrir la voie à de nouvelles applications. Les actionneurs haptiques piézoélectriques ajoutent une touche de réalisme aux interactions virtuelles, avec des vibrations offrant une sensation de réactivité naturelle, par exemple lors de la simulation d'expériences de jeu comme la course au le tir d'armes à feu.

L'haptique peut jouer un rôle crucial pour surmonter les facteurs qui limitent la vision ou le son lors de la détection d'alertes critiques. Dans le domaine médical, par exemple, l'haptique peut aider les praticiens à réagir plus rapidement à des signaux multiples, ce qui peut permettre de sauver des vies dans des situations où chaque seconde peut faire la différence pour une issue favorable.

Ressentir l'avenir : applications et cas d'utilisation

Le potentiel de l'haptique n'est limité que par la vision des concepteurs de produits. À mesure que la réalité augmentée et la réalité virtuelle gagnent en popularité et que l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (ML) continuent d'évoluer, l'haptique jouera probablement un rôle de premier plan dans la possibilité d'expériences numériques immersives toujours plus grandes dans un large éventail de secteurs, notamment :

• Domaines médicaux : l'haptique commence déjà à jouer un rôle dans la chirurgie assistée par robot et les procédures dentaires invasives, contribuant à reproduire l'expérience tactile que les médecins acquièrent au fil des années de pratique. Associée à la réalité virtuelle, l'haptique peut faire progresser l'apprentissage des compétences médicales en simulant des procédures réelles de manière à permettre des expériences pratiques, du maniement d'un scalpel à la palpitation d'un cœur. L'haptique peut conduire à des avancées dans la rééducation des patients victimes de blessures incapacitantes, en aidant les victimes d'accidents vasculaires cérébraux à réapprendre des compétences motrices cruciales et en offrant aux amputés la capacité de surmonter les limites des prothèses mécaniques.
• Cas d'utilisation automobiles : l'haptique fournit déjà aux conducteurs automobiles des avertissements tactiles en cas de sortie de voie et de mauvaise tenue du volant. L'intégration d'une montre connectée avec le système de navigation peut avertir le conducteur des virages à venir, lui évitant d'avoir à regarder une carte sur son écran embarqué.
• Industrie et fabrication : les opérateurs d'équipements lourds et les travailleurs sur les chaînes de production peuvent facilement être distraits par la consultation de boutons ou d'écrans. L'haptique peut les aider à rester concentrés sur leurs tâches tout en confirmant qu'ils ont fait les bons choix sans détourner le regard. L'haptique peut être intégrée aux gants et aux vêtements pour permettre le contrôle à distance précis des machines, garantir la précision des opérations de prélèvement et fournir un retour d'informations ou des alertes dans les environnements potentiellement dangereux.
• Services financiers et de vente au détail : les clients font l'expérience de l'haptique lors de leurs interactions quotidiennes avec les systèmes de points de vente et les distributeurs automatiques de billets, comme la confirmation d'interactions à l'aide de cartes et d'appareils mobiles. La combinaison de l'haptique et de l'AR/VR offre la possibilité de créer des expériences d'achat en ligne enrichissantes permettant aux consommateurs de reproduire virtuellement ce qu'ils attendent d'un point de vente physique.
• Électronique grand public : elle s'est révélée prête pour l'haptique. Le premier smartphone haptique a été présenté en 2000 au Consumer Electronics Show et la technologie a été rapidement adoptée pour les smartphones Android et Apple, initialement pour améliorer l'expérience de l'utilisateur lorsqu'il utilise des claviers virtuels et et des icônes. Mais l'haptique avait déjà connu un certain succès dans les années 1990 en enrichissant l'expérience des joueurs de jeux vidéo, notamment grâce à des manettes et des accessoires tels que des volants offrant une rétroaction tactile perceptible dans les jeux de conduite et de tir. Avec l'évolution continue des dispositifs grand public et des services numériques — des traceurs d'activités aux casques et lunettes AR/VR — les concepteurs de produits s'efforcent de développer de nouvelles capacités qui rendent le monde numérique aussi tangible que le monde physique.

Les composants du succès : des options pour tous les besoins

Les concepteurs de produits peuvent utiliser des portefeuilles de composants facilement disponibles pour créer des interfaces haptiques qui répondent à leurs spécifications et aux besoins de leurs applications.

La première étape consiste à comprendre les différences entre les technologies disponibles et leurs exigences de conception. Les composants électromécaniques constituent la technologie la plus courante pour fournir des réponses haptiques. Ils sont généralement regroupés dans les catégories suivantes :

• Les actionneurs à masse rotative excentrique (ERM) utilisent une masse rotative hors axe fixée à un moteur CC pour générer des vibrations pouvant produire des sensations de « ronronnement » basse fréquence (Figure 1). L'actionneur vibre à une fréquence directement corrélée à la tension de commande du dispositif. Parce qu'il faut peu de temps au moteur rotatif pour atteindre la vitesse souhaitée lorsque la tension est appliquée — et pour ralentir le moteur jusqu'à l'arrêt — ils conviennent mieux aux applications dans lesquelles un effet de vibration perceptible est requis, mais où des modèles de vibration précis ne sont pas strictement nécessaires. PUI Audio propose plusieurs actionneurs ERM, y compris le HD-EMB1104-SM-2 à montage en surface, qui offre une forte rétroaction haptique dans un petit boîtier de 3,4 mm x 4,4 mm x 11 mm. Il convient aux segments médicaux, automobiles ou industriels, aux dispositifs grand public ou portables, et aux appareils de sécurité. Une autre option est l'actionneur ERM CC sans balais HD-EM0602-LW15-R de PUI Audio, qui offre un contrôle amélioré de la vitesse et du couple et une durée de vie plus longue que celle des actionneurs à balais.

Figure 1 : Vue éclatée d'un actionneur ERM. (Source : PUI Audio)

• Les actionneurs linéaires résonants (LRA) (Figure 2) sont alimentés par courant alternatif et produisent une vibration dans deux directions le long d'un axe, permettant des modèles de vibration réactifs haute résolution pour fournir des informations à l'utilisateur. Les LRA créent des vibrations en déplaçant la masse dans une direction linéaire lorsque la bobine est excitée avec la fréquence et la tension du signal appliqué au dispositif, fournissant un contrôle indépendant de l'intensité et de la fréquence des vibrations. Contrairement aux actionneurs ERM, avec un dispositif LRA, les utilisateurs ressentent une vibration dès que la bobine est excitée et que la masse se déplace vers le haut ou vers le bas. Cette technologie s'apparente aux haut-parleurs traditionnels dans lesquels une bobine est excitée par une forme d'onde, provoquant le déplacement d'un aimant et d'une membrane et générant des ondes sonores. Le HD-LA1307-SM de PUI Audio est un LRA à montage en surface étanche, répertorié IP, qui facilite l'intégration transparente dans diverses applications finales, telles que les environnements de réalité virtuelle, les consoles de jeux, les simulateurs médicaux, les appareils portables, et les interfaces de contrôle grand public et industrielles.

Figure 2 : Vue éclatée d'un LRA. (Source : PUI Audio)

• Les moteurs à bobine mobile (VCM), également appelés actionneurs à bobine mobile (VCA) (Figure 3), utilisent la même technologie de bobine mobile que les LRA mais ressemblent encore plus à un haut-parleur. Une masse se déplace linéairement, comme dans un LRA, mais avec une taille et une masse accrues, générant un effet de vibration plus important et plus réaliste que celui qui pourrait être reproduit avec un LRA. Le VCM cylindrique HD-VA2527 de PUI Audio offre des effets de vibration flexibles et complexes.

Figure 3 : Vue éclatée d'un VCA. (Source : PUI Audio)

• Les composants haptiques piézoélectriques, souvent appelés buzzers ou actionneurs piézoélectriques, sont basés sur l'effet piézoélectrique inverse et sont constitués de couches plates de matériau piézoélectrique actif qui se plient et se contractent lorsqu'une tension est appliquée, créant ainsi du son et des vibrations. Ils sont disponibles sous forme de disques tels que le HD-PAB1501 et de bandes telles que le HD-PAS2507 de PUI Audio. Les actionneurs piézoélectriques peuvent fournir des signaux plus complexes et détaillés, tels que le son d'un battement de cœur, avec un réalisme sans précédent. Ces composants offrent une précision de déplacement plus élevée, une vitesse de réponse plus rapide, une force de génération plus importante et une durée de vie plus longue. Ils requièrent une tension plus élevée que les ERM et les LRA, mais les concepteurs peuvent utiliser des circuits intégrés d'attaque d'actionneur pour répondre aux exigences de tension depuis des sources basse tension.

Conclusion

Les concepteurs de produits peuvent tirer parti de riches portefeuilles de composants pour intégrer l'haptique dans leurs dispositifs. Ils doivent évaluer le type de vibration approprié pour leur conception, ainsi que les avantages et les limites de chaque actionneur pour répondre aux spécifications de conception, aux besoins de l'utilisateur final et aux applications spécifiques. En faisant les bons choix de conception, il est possible de créer de nouveaux produits haptiques qui ouvriront de nouvelles perspectives commerciales.