Des ingénieurs d’une université américaine ont développé le premier dispositif haptique qui atteint la « résolution humaine », ce qui signifie qu’il correspond précisément aux capacités de détection du bout des doigts humain.
Baptisé VoxeLite, ce dispositif portable ultra-fin, léger, flexible et portable recrée les sensations tactiles avec la même clarté, le même détail et la même vitesse que la peau détecte naturellement. Semblable à un pansement, le dispositif s’enroule doucement autour d’un doigt pour donner au toucher numérique le même réalisme que les gens attendent désormais des écrans et des haut-parleurs d’aujourd’hui.
En combinant une haute résolution spatiale avec un facteur de forme portable et confortable, VoxeLite pourrait transformer la façon dont les gens interagissent avec les environnements numériques, y compris les systèmes de réalité virtuelle plus immersifs, les technologies d’assistance pour les personnes malvoyantes, les interfaces homme-robot et les écrans tactiles améliorés.
« Le toucher est le dernier sens majeur sans véritable interface numérique, a déclaré Sylvia Tan de Northwestern, qui a dirigé l’étude. Nous avons des technologies qui rendent les choses visuelles et sonores réelles. Maintenant, nous voulons que les textures et les sensations tactiles paraissent réelles. Notre dispositif fait avancer le domaine vers cet objectif. Nous l’avons également conçu pour qu’il soit confortable, afin que les gens puissent le porter pendant de longues périodes sans avoir besoin de l’enlever pour effectuer d’autres tâches. C’est comme les gens qui portent des lunettes toute la journée sans même y penser. »
« Ce travail représente une percée scientifique majeure dans le domaine de l’haptique en introduisant, pour la première fois, une technologie qui atteint la ‘résolution humaine’ », a ajouté J. Edward Colgate de Northwestern, un pionnier de l’haptique et auteur principal de l’étude. « Il a la capacité de présenter des informations haptiques à la peau avec à la fois la résolution spatiale et temporelle du système sensoriel. »
Problèmes non résolus en haptique
Malgré des décennies de progrès en vidéo haute définition et en audio réaliste, le toucher numérique a obstinément pris du retard. Le retour haptique d’aujourd’hui – principalement de simples vibrations de smartphone – ne peut pas transmettre les informations riches et détaillées que les doigts perçoivent naturellement. Cela est en partie dû au fait que la résolution spatiale et temporelle de la peau est notoirement difficile à simuler.
« Pensez aux très vieux films lorsque le nombre d’images par seconde était très faible, de sorte que les mouvements semblaient saccadés. Cela est dû à une faible résolution temporelle, a précisé J.E. Colgate. Ou pensez aux premiers écrans d’ordinateur où les images étaient pixelisées. C’est une faible résolution spatiale. De nos jours, ces deux problèmes sont résolus pour les affichages graphiques. Pour les affichages tactiles, cependant, ils sont loin d’être résolus. En fait, très peu de chercheurs ont même tenté de les aborder ensemble. »
Pixels individuels du toucher
Avec VoxeLite, Tan, Colgate et Peshkin rapprochent considérablement le domaine de la résolution de ces problèmes. Le dispositif comporte un réseau de minuscules nœuds contrôlés individuellement, intégrés dans une feuille extensible de latex, fine comme du papier. Ces nœuds souples fonctionnent comme des pixels du toucher, chacun capable de presser la peau à grande vitesse et selon des motifs précis.
Chaque nœud comprend un dôme en caoutchouc souple, une couche externe conductrice et une électrode interne cachée. Lorsqu’une légère tension est appliquée, elle génère une électro-adhésion – le même principe qui fait qu’un ballon colle à un mur après avoir été frotté. Dans leur technologie précédemment développée TanvasTouch, Colgate et Peshkin ont exploité l’électro-adhésion pour moduler la friction entre un doigt et une surface d’écran tactile lisse. Dans ces dispositifs, un champ électrique appliqué modifie la friction pour créer l’illusion de la texture, mais cela n’implique aucune pièce mobile.
VoxeLite fait avancer ce concept. La nouvelle technologie applique des forces électrostatiques de manière précise et contrôlée pour que chaque minuscule nœud « agrippe » une surface et s’incline pour presser la peau. Cela génère une force mécanique hautement localisée, de sorte que chaque « pixel » de toucher pousse la peau d’un doigt. Des tensions plus élevées augmentent la friction pendant le mouvement, produisant des indices tactiles plus prononcés pour simuler la sensation d’une surface rugueuse. D’un autre côté, des tensions plus faibles créent moins de friction et donc la sensation d’une surface plus glissante.
« Lorsqu’il est glissé sur une surface mise à la terre électriquement, le dispositif contrôle la friction sur chaque nœud, conduisant à une indentation contrôlable sur la peau, a déclaré J. E. Colgate. Les tentatives passées pour générer des effets haptiques ont abouti à des dispositifs grands, encombrants et complexes. VoxeLite pèse moins d’un gramme. »
Atteindre la résolution humaine
Pour créer les sensations à résolution humaine, Tan a rapproché les nœuds. Dans la version la plus dense du dispositif, les nœuds sont espacés d’environ 1 millimètre. Lors des tests utilisateurs, Tan a utilisé une version avec un espacement de 1,6 millimètre entre les nœuds.
« La densité des nœuds compte vraiment pour correspondre à l’acuité humaine, a déclaré Tan. Les nœuds doivent être suffisamment éloignés pour que votre corps puisse les distinguer. Si deux nœuds sont à moins d’un millimètre l’un de l’autre, vos doigts ne perçoivent qu’un seul nœud au lieu de deux. Mais si les nœuds sont trop éloignés, ils ne peuvent pas recréer les détails fins. Pour créer des sensations qui paraissent réelles, nous voulions correspondre à cette acuité humaine. »
VoxeLite fonctionne dans deux modes : actif et passif. En mode actif, le dispositif génère des sensations tactiles virtuelles en inclinant et en indentant rapidement des nœuds individuels lorsqu’un utilisateur se déplace sur une surface lisse, telle que l’écran d’un smartphone ou d’une tablette. Les nœuds peuvent bouger jusqu’à 800 fois par seconde, couvrant presque toute la gamme de fréquences des récepteurs du toucher humain.
Reconnaître les textures virtuelles
Dans une série d’expériences, les participants à l’étude portant le dispositif ont reconnu avec précision et fiabilité les textures, motifs et indices directionnels virtuels. Les personnes portant VoxeLite ont identifié ces motifs directionnels – haut, bas, gauche et droite – avec une précision allant jusqu’à 87 %. Ils ont également identifié des tissus réels, y compris le cuir, le velours côtelé et le tissu éponge, avec une précision de 81 %.
En mode passif, le dispositif disparaît essentiellement. Parce qu’il est extrêmement mince, souple et épouse la peau, VoxeLite n’interfère pas avec les tâches du monde réel ni ne bloque le sens naturel du toucher. Ainsi, les porteurs peuvent passer de manière transparente entre les expériences réelles et numériques.
Pour les futures itérations du dispositif, l’équipe de Northwestern envisage une technologie qui peut être associée aux smartphones et tablettes. Tout comme les écouteurs utilisent le Bluetooth pour interagir avec nos appareils, VoxeLite pourrait peut-être un jour se synchroniser avec les appareils pour transformer les écrans plats et lisses en interfaces texturées. Cela pourrait potentiellement conduire à des expériences d’achat en ligne plus réalistes, où les acheteurs peuvent sentir les textiles et les tissus avant de faire un achat. Cela pourrait également conduire à des cartes tactiles pour les personnes malvoyantes ou à des jeux plus interactifs, où les joueurs peuvent sentir l’étirement d’un élastique ou les rochers accidentés d’une falaise.
« Ce qui rend cela le plus excitant, c’est la combinaison de la résolution spatiale et temporelle avec la portabilité, a conclu Sylvia Tan. Les gens ont tendance à se concentrer sur l’un de ces trois aspects parce que chacun représente un défi si difficile. Notre laboratoire avait déjà résolu la résolution temporelle avec l’électro-adhésion. Ensuite, mon défi était de le rendre spatialement distribué et portable. Cela a pris un certain temps pour en arriver là. Maintenant, nous menons des études pour comprendre comment les humains reçoivent et perçoivent réellement cette information tactile. »
Article : Towards human-resolution haptics: a high bandwidth, high density, wearable tactile display – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
Colgate est le professeur Walter P. Murphy de génie mécanique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et directeur du Centre de recherche en ingénierie de la National Science Foundation sur Human AugmentatioN via Dexterity (HAND). Colgate et le co-auteur principal Michael Peshkin, l’Allen K. and Johnnie Cordell Breed Senior Professor of Design et professeur de génie mécanique à McCormick, sont des collaborateurs de longue date et des pionniers dans le domaine de la technologie haptique. Tan est une étudiante en doctorat au Center for Robotics and Biosystems de Northwestern, où elle est conseillée par Colgate et Peshkin.
