Progettazione di prodotti abilitati all'uso dell'aptica

La crescente popolarità e utilità dei dispositivi che sfruttano gli strumenti e i servizi digitali spingono sempre più progettisti a integrare la tecnologia aptica, che garantisce un maggior coinvolgimento dell'utente e offre esperienze più coinvolgenti. Migliorare le interfacce digitali con sensazioni basate sul tatto potenzia l'interazione sensoriale, creando un'esperienza più completa oltre la vista e l'udito. I progettisti desiderosi di sfruttare le capacità aptiche possono trarre vantaggio da componenti facilmente reperibili per perseguire nuovi scenari d'uso e opportunità commerciali.

La tecnologia aptica è già sfruttata in prodotti di consumo altamente visibili, dagli smartphone alle automobili, ai dispositivi per punti vendita e ai bancomat. È utilizzata anche nei dispositivi medici e negli strumenti chirurgici, nei macchinari industriali e di produzione e nelle applicazioni di automazione degli edifici.

Le origini dell'aptica risalgono al 1880, quando Pierre e Jacques Curie dimostrarono l'effetto piezoelettrico di alcuni materiali per generare una piccola carica elettrica applicando una forza meccanica. L'effetto piezoelettrico inverso genera un movimento fisico di un materiale quando vi si applica una tensione ed è stato utilizzato per sviluppare i primi sistemi di rilevamento sottomarino a ultrasuoni e di radiotrasmissione aerea. Questi stessi principi sono alla base degli attuatori e dei trasduttori comunemente utilizzati nei piccoli altoparlanti, nei microfoni e persino nei biglietti regalo musicali.

La combinazione delle capacità aptiche con la realtà virtuale (VR), la realtà aumentata (AR) e l'Internet delle cose (IoT) ha il potenziale per migliorare notevolmente il coinvolgimento degli utenti con i dispositivi esistenti e aprire la strada a nuove applicazioni. Gli attuatori aptici piezoelettrici aggiungono un tocco realistico alle interazioni virtuali, con vibrazioni che forniscono un senso di reattività naturale e coinvolgente, come la simulazione di esperienze di gioco, dalle corse allo sparo di armi.

L'aptica può svolgere un ruolo fondamentale nel superare i fattori che limitano la vista o il suono nel riconoscere gli avvisi critici. In ambito medico, ad esempio, l'aptica può aiutare gli operatori a reagire più prontamente a molteplici input, il che potrebbe rivelarsi un salvavita in situazioni in cui ogni secondo può fare la differenza.

Sentire il futuro: applicazioni e casi d'uso

Il potenziale dell'aptica è limitato solo dalla visione dei progettisti. Con la crescente popolarità di AR e VR e con la continua evoluzione dell'intelligenza artificiale (IA) e dell'apprendimento automatico (ML), l'aptica giocherà probabilmente un ruolo di primo piano nell'offrire esperienze digitali immersive sempre più intense in vari settori, tra cui:

• In campo medico, l'aptica sta già iniziando a svolgere un ruolo nella chirurgia robotica assistita e nelle procedure dentistiche invasive, aiutando a replicare l'esperienza tattile che i medici acquisiscono con anni di pratica. In combinazione con la VR, l'aptica può far progredire l'apprendimento delle competenze mediche simulando le procedure del mondo reale in modo da fornire esperienze pratiche, dal maneggiare un bisturi al palpare un cuore. L'aptica può portare a progressi nella riabilitazione dei pazienti vittime di lesioni debilitanti, aiutando le vittime di ictus a riapprendere le abilità motorie cruciali e fornendo agli amputati la possibilità di superare i limiti delle protesi meccaniche.
• Nel settore automotive, l'aptica sta già fornendo ai conducenti di automobili avvisi tattili all'uscita di corsia e alla mancata presa del volante. L'integrazione di smartwatch con i sistemi di navigazione può avvisare gli operatori di svolte imminenti, riducendo la necessità di volgere lo sguardo alle mappe sullo schermo di bordo.
• Nel settore industriale e della produzione, gli operatori di macchinari pesanti e gli addetti alle linee di produzione possono essere facilmente distratti dalla necessità di dare un'occhiata a pulsanti o schermi. L'aptica può aiutarli a rimanere concentrati sui compiti che hanno davanti o dietro di loro, confermando che hanno fatto le scelte giuste senza distogliere lo sguardo. L'aptica può essere incorporata in guanti e indumenti per il controllo remoto preciso dei macchinari, l'accuratezza nelle operazioni di prelievo e per fornire avvisi in ambienti potenzialmente pericolosi.
• Nei settori retail e dei servizi finanziari, i clienti sperimentano l'aptica nei comuni incontri quotidiani con i punti di vendita e gli sportelli automatici, come la conferma delle interazioni con le carte e i dispositivi mobili. La combinazione di aptica e AR/VR offre il potenziale per esperienze di acquisto online ricche e che consentono ai consumatori di replicare virtualmente ciò che si aspettano in un punto di vendita fisico.
• I prodotti elettronici consumer si sono dimostrati maturi per l'aptica. Il primo smartphone aptico è stato presentato al Consumer Electronics Show del 2000 e la tecnologia è stata rapidamente adottata per gli smartphone Android e Apple, inizialmente per migliorare l'esperienza dell'utente durante la digitazione su tastiere virtuali e la pressione di icone sullo schermo. Ma l'aptica ha trovato un primo successo arricchendo l'esperienza dei giocatori negli anni '90, con controller e accessori come i volantini che forniscono un riscontro tattile per i giochi di guida e di tiro, tra gli altri. Con la continua evoluzione dei dispositivi di consumo e dei servizi digitali - dai fitness tracker alle cuffie e agli occhiali AR/VR - i progettisti di prodotti fanno a gara per sviluppare nuove funzionalità che rendano il mondo digitale tangibile come quello fisico.

Componenti per il successo: opzioni per ogni esigenza

I progettisti possono utilizzare molti componenti facilmente reperibili per creare interfacce abilitate al tatto che si adattino alle loro specifiche ed esigenze applicative.

Il primo passo consiste nel comprendere le differenze tra le tecnologie disponibili e i relativi requisiti di progettazione. I componenti elettromeccanici sono la tecnologia più comune per fornire risposte aptiche. Sono comunemente raggruppati nelle seguenti categorie principali:

• Gli attuatori a massa eccentrica rotante (ERM) utilizzano una massa rotante fuori asse collegata a un motore c.c. per generare vibrazioni che possono dare sensazioni di "rimbombo" a bassa frequenza (Figura 1). L'attuatore vibra a una frequenza direttamente correlata alla tensione di pilotaggio del dispositivo. Poiché il motore rotante impiega poco tempo per raggiungere la velocità desiderata quando viene applicata la tensione e per rallentare fino all'arresto, sono ideali per le applicazioni in cui è richiesto un effetto di vibrazione evidente, ma non sono strettamente necessari modelli vibrazionali precisi. PUI Audio offre diversi attuatori ERM, tra cui HD-EMB1104-SM-2 a montaggio superficiale, che fornisce un forte riscontro aptico in un contenitore compatto di 3,4 x 4,4 x 11 mm. È adatto per applicazioni medicali, automotive o industriali, per i dispositivi consumer o portatili e per le apparecchiature di sicurezza. Un'altra opzione è l'ERM c.c. brushless HD-EM0602-LW15-R di PCI Audio, che offre un migliore controllo della velocità e della coppia e una durata maggiore rispetto agli attuatori a spazzole.

Figura 1: Vista esplosa di un attuatore ERM. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

• Le parti dell'attuatore risonante lineare (LRA) (Figura 2) sono alimentate a corrente alternata e producono una vibrazione in due direzioni lungo un asse, consentendo modelli vibrazionali ad alta risoluzione e reattivi per fornire informazioni all'utente. Gli LRA creano le vibrazioni spostando la massa in una direzione lineare quando la bobina viene eccitata con la frequenza e la tensione del segnale applicato al dispositivo, fornendo un controllo indipendente sia sull'intensità sia sulla frequenza delle vibrazioni. A differenza degli ERM, con un dispositivo dotato di LRA l'utente percepisce una vibrazione non appena la bobina viene eccitata e la massa si sposta verso l'alto o verso il basso. Questa tecnologia è correlata agli altoparlanti tradizionali in cui una bobina viene eccitata da una forma d'onda, facendo muovere un magnete e un diaframma che generano le onde sonore. HD-LA1307-SM di PUI Audio è un LRA impermeabile, con grado di protezione IP e montaggio superficiale, che facilita la perfetta integrazione in varie applicazioni finali, come ambienti di realtà virtuale, console per videogiochi, simulatori medici, dispositivi palmari e interfacce di controllo industriali e consumer.

Figura 2: Vista esplosa di un LRA. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

• I motori a bobina vocale (VCM), anche detti attuatori a bobina vocale (VCA) (Figura 3), utilizzano la stessa tecnologia a bobina vocale degli LRA, ma sono ancora più simili a un altoparlante. Una massa si muove linearmente, come in un LRA, ma con dimensioni e massa maggiori, producendo un effetto di vibrazione più sostanziale e realistico di quello che si potrebbe replicare con un LRA. Il VCM cilindrico HD-VA2527 di PUI Audio offre effetti di vibrazione flessibili e complessi.

Figura 3: Vista esplosa di un VCA. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

• I componenti aptici piezoelettrici, spesso chiamati bender piezoelettrici o cicalini, si basano sull'effetto piezoelettrico inverso e sono costituiti da strati piatti di materiale piezoelettrico attivo che si piegano e si contraggono quando viene applicata la tensione per creare suoni e vibrazioni. Sono disponibili da PUI Audio sotto forma di dischi, come HD-PAB1501 o di strisce, come HD-PAS2507. I bender piezoelettrici possono fornire segnali più complessi e dettagliati, come il suono del battito cardiaco, con un senso di realismo senza precedenti. Questi componenti offrono una maggiore precisione dello spostamento, una maggiore velocità di risposta, una forza di generazione più significativa e una maggiore durata. Richiedono una tensione più elevata rispetto agli ERM e agli LRA, ma i progettisti possono utilizzare circuiti integrati "driver bender" per soddisfare i requisiti di tensione da sorgenti a bassa tensione.

Conclusione

I progettisti di prodotti possono sfruttare i ricchi portafogli di componenti per integrare l'aptica nei loro dispositivi. Devono valutare il tipo di vibrazione appropriato per il loro progetto, nonché i vantaggi e i limiti di ciascun attuatore per soddisfare le specifiche di progetto, le esigenze dell'utente finale e le applicazioni specifiche. Con le giuste scelte progettuali, è possibile creare nuovi prodotti abilitati al tatto che stimoleranno nuove opportunità commerciali.