Полученные результаты дают фундаментальное представление о разработке тактильных материалов и тактильных интерфейсов, которые могут воссоздать реалистичные ощущения прикосновения для таких приложений, как электронная кожа, протезы и медицинская робототехника. Исследователи подробно рассказывают о своих выводах в Августе. 30 выпуск журнала Science Advances.
"Мы предлагаем формулу для воссоздания спектра мягкости. Поступая так, мы помогаем преодолеть пробел в понимании того, что нужно для воссоздания некоторых аспектов прикосновения », – сказал Чарльз Донг, который руководил исследованием в качестве постдокторанта в Калифорнийском университете в Сан-Диего, а сейчас является доцентом кафедры биомедицинской инженерии. в Университете Делавэра. Донг работал с Дарреном Липоми, профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтором исследования.
Основываясь на результатах своих экспериментов, исследователи создали уравнения, которые могут вычислить, насколько мягкий или твердый материал будет на ощупь, на основе толщины материала, модуля Юнга (мера жесткости материала) и участков с микрорельефом.
Уравнения также могут делать обратное и вычислять, например, какой толщины или микрорельефа должен быть материал, чтобы ощущать определенный уровень мягкости.
«Что интересно в этом, так это то, что мы нашли два новых способа настроить воспринимаемую мягкость объекта – микрорельеф и изменение толщины», – сказал Дхонг. "Модуль Юнга – это то, к чему ученые обычно обращаются с точки зрения того, что мягкое, а что твердое. Это фактор, но теперь мы показываем, что это только одна часть уравнения."
Воссоздание мягкости
Исследователи начали с изучения двух параметров, которые инженеры используют для измерения воспринимаемой мягкости материала: глубины вдавливания (насколько глубоко кончик пальца вдавливается в материал) и площади контакта между кончиком пальца и материалом. Обычно оба эти параметра изменяются одновременно, когда кончик пальца нажимает на объект. Например, прикоснитесь к кусочку мягкой резины, и площадь контакта будет тем больше, чем глубже нажимается кончик пальца.
Донгу, Липоми и его коллегам было любопытно, как глубина вдавливания и площадь контакта независимо друг от друга влияют на восприятие мягкости. Чтобы ответить на этот вопрос, они специально разработали материалы, которые разделяли эти два параметра, а затем протестировали их на людях.
Исследователи создали девять различных эластомерных плит, каждая со своим уникальным соотношением глубины вдавливания и площади контакта. Плиты различались количеством микрорельефов на поверхности, толщиной и модулем Юнга.
Микрорельеф – ключ к дизайну. Он состоит из массивов приподнятых микроскопических столбов, разбросанных по поверхности плит.
Эти крошечные столбы позволяют кончику пальца нажимать глубже, не изменяя площадь контакта. Это похоже на нажатие на металлические штифты игрушки Pinscreen, когда множество штифтов скользят внутрь и наружу, создавая трехмерное впечатление.
«Создавая эти микрорельефные поверхностные структуры, мы создаем прерывистые области контакта, в которые нажимает палец, которые намного меньше, чем тень, которую он отбрасывает на поверхность», – сказал Липоми.
Команда протестировала плиты на 15 испытуемых и дала им задание выполнить две задачи. В первом задании они представили испытуемым несколько пар плит и попросили их определить более мягкую в каждой паре. Во втором задании исследователи предложили испытуемым расположить девять плит от самых мягких до самых твердых.
В целом плиты, которые испытуемые воспринимали как более мягкие, были толще, практически не имели микрорельефов на поверхности и имели низкий модуль Юнга. Между тем плиты, которые казались более твердыми, были тоньше, имели больше микрорельефов и высокий модуль Юнга.
Мягкость: основной ингредиент прикосновения
Эксперименты также привели исследователей к интересному выводу: восприятие мягкости – это базовое ощущение, а не комбинация других ощущений.
"Это означает, что мягкость является основным компонентом человеческого осязания. Это похоже на то, как у нас есть RGB для цветных дисплеев », – сказал Липоми. «Если мы сможем найти другие« сенсорные пиксели », сможем ли мы объединить их для создания любого тактильного изображения, которое захотим? Это основные вещи, которые мы хотели бы знать в будущем."
Название статьи: «Роль глубины вдавливания и площади контакта в восприятии человеком мягкости тактильных интерфейсов»."Соавторы: Рэйчел Миллер, Николас Рут, Сумит Гупта, Лауре В. Кайзер, Коди В. Карпентер, Кеннет Дж. Лох и Вилаянур С. Рамачандран, все в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Эта работа была поддержана премией нового новатора Национального института здравоохранения (грант 1DP2EB022358) и Управлением военно-морских исследований (грант N00014-18-1-2483).