Revolution der Haptik
Von der virtuellen Realität über die Rehabilitation bis hin zur Kommunikation hat die haptische Technologie die Art und Weise revolutioniert, wie Menschen mit der digitalen Welt interagieren. Während sich frühe haptische Geräte auf einzelne Sinnesreize wie vibrationsbasierte Benachrichtigungen konzentrierten, haben moderne Weiterentwicklungen den Weg für multisensorische haptische Geräte geebnet, die verschiedene Formen des berührungsbasierten Feedbacks integrieren, darunter Vibration, Hautdehnung, Druck und Temperatur.
Kürzlich veröffentlichte ein Expertenteam, zu dem Marcia O'Malley und Daniel Preston von der Rice University, der Doktorand Joshua Fleck, die Absolventen Zane Zook und Janelle Clark sowie weitere Mitarbeiter gehörten, in Nature Reviews Bioengineering einen ausführlichen Forschungsbericht, in dem der aktuelle Stand der tragbaren multisensorischen haptischen Technologie analysiert und ihre Herausforderungen, Fortschritte und realen Anwendungen beschrieben wurden.
Haptische Geräte, die Kommunikation durch Berührung ermöglichen, haben sich seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren erheblich weiterentwickelt. Ursprünglich beruhten sie auf starren, geerdeten Mechanismen, die als Benutzerschnittstellen fungierten und kraftbasierte Rückmeldungen aus virtuellen Umgebungen erzeugten. Mit Fortschritten in der Sensor- und Antriebstechnologie sind haptische Geräte jedoch zunehmend tragbar geworden. Die heutigen Innovationen konzentrieren sich auf das Hautfeedback - die Stimulierung der Hautrezeptoren, um realistische Berührungsempfindungen zu erzeugen - und nicht auf das kinästhetische Feedback, das die auf den Bewegungsapparat ausgeübte Kraft nachahmt.
„Haptische Geräte, die am Körper getragen werden können, sind heute in Verbraucherprodukte wie Smartwatches und Spielzubehör integriert und erfüllen komplexere Aufgaben im Gesundheitswesen, in der Robotik und in immersiven Medien“, sagte O'Malley, Inhaberin der Thomas Michael Panos Family Professur in Ingenieurwissenschaften und Professorin und Lehrstuhlinhaberin für Maschinenbau. „Der neue Trend zum multisensorischen haptischen Feedback, d. h. zur gleichzeitigen Bereitstellung von mehr als einer Art von Berührungsreizen, verbessert das Benutzererlebnis, stellt jedoch neue technische und wahrnehmungsbezogene Herausforderungen dar. Mit der weiteren Entwicklung dieser Technologie werden wir sehen, wie sie sich zu einer reichhaltigeren, multisensorischen Erfahrung entwickelt - eine, die die Lücke zwischen digitaler Interaktion und menschlicher Berührung schließt.
Die Entwicklung effektiver, tragbarer, multisensorischer haptischer Geräte erfordert ein tiefes Verständnis der menschlichen Berührungswahrnehmung, und das Forschungsteam hat mehrere zentrale Herausforderungen auf diesem Gebiet identifiziert. Eine der größten Hürden ist die Variabilität der Hautkontaktmechanik, da Unterschiede in der Hautelastizität, der Rezeptorverteilung und externen Faktoren wie Feuchtigkeit die Wahrnehmung haptischer Reize verändern können. Ein weiteres Problem ist die taktile Maskierung, bei der mehrere haptische Empfindungen wie Vibration und Hautdehnung einander überlagern können, was die Wahrnehmungsschärfe verringert.
„Die Haut eines jeden Menschen reagiert anders auf Reize, weil sie unterschiedlich elastisch, feucht und sogar behaart ist“, sagt Preston, Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Diese Variabilität macht die Entwicklung universell wirksamer Geräte unglaublich komplex.
Darüber hinaus spielen Tragekomfort und Bequemlichkeit bei jedem Produkt eine wichtige Rolle. Haptische Geräte müssen so konzipiert sein, dass sie sich an verschiedene Körperstellen anpassen, ohne Unbehagen zu verursachen, die Bewegung einzuschränken oder die täglichen Aktivitäten zu stören. Faktoren wie Gewicht, Größe und Befestigungsmethoden spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der langfristigen Nutzbarkeit.
„Echtes Eintauchen in die haptische Technologie hängt nicht nur davon ab, was die Benutzer fühlen, sondern auch davon, wie natürlich und bequem sie es erleben“, so Preston.
Zusätzlich zu den Herausforderungen haben die Autoren mehrere neue Betätigungsmethoden identifiziert, die die tragbare haptische Technologie neu definieren könnten.
Die elektromechanische Übertragung, die üblicherweise in Vibrations-Feedback-Systemen verwendet wird, ist aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit nach wie vor die am häufigsten verwendete Methode. Allerdings ist es oft schwierig, eine Vielzahl von haptischen Hinweisen zu geben. Die polymere Aktivierung, die sich auf intelligente Polymere stützt, die ihre Form oder Beschaffenheit ändern, wenn sie Reizen ausgesetzt werden, bietet eine leichte und flexible Alternative für die Bereitstellung haptischer Rückmeldungen. Die Fluidik, bei der unter Druck stehende Luft oder Flüssigkeiten zur Erzeugung dynamischer taktiler Empfindungen eingesetzt werden, gewinnt in der Soft-Robotik und bei textilbasierten haptischen Wearables zunehmend an Bedeutung und bietet neue Möglichkeiten für Komfort und Anpassungsfähigkeit. Darüber hinaus entwickelt sich die thermische Betätigung zu einer Möglichkeit, das Eintauchen in virtuelle Umgebungen zu verbessern oder reale Interaktionen durch Wärme- oder Kälteempfindungen zu simulieren.
„Wir gehen davon aus, dass diese Technologien den Anwendungsbereich des haptischen Feedbacks erheblich erweitern werden, insbesondere in Bereichen wie der medizinischen Rehabilitation, der Entwicklung von Prothesen und der Mensch-Maschine-Interaktion“, so O'Malley. „Obwohl sie vielversprechend sind, müssen sie weiter verfeinert werden, um Reaktionszeit, Haltbarkeit und Energieeffizienz zu verbessern.
Der Bericht gibt ebenfalls einen Einblick in die Möglichkeiten, die die tragbare haptische Technologie für die Interaktion des Menschen mit digitalen und physischen Umgebungen eröffnen wird. In der virtuellen und erweiterten Realität verbessert die multisensorische Haptik das Eintauchen in die Materie, indem sie es den Nutzern ermöglicht, digitale Objekte zu ertasten und so das Erlebnis in Spielen, Trainingssimulationen und im Bildungsbereich zu verbessern. Im Gesundheits- und Rehabilitationswesen unterstützen tragbare Haptiksysteme das Training motorischer Fähigkeiten, die Rehabilitation nach einem Schlaganfall und die Rückmeldung von Prothesen, so dass die Patienten effektiver mit ihrer Umgebung interagieren können. Hilfstechnologien und Kommunikationsanwendungen nutzen taktile Schnittstellen, um Menschen mit Seh- oder Hörbehinderungen zu helfen, indem sie auditive oder visuelle Informationen in berührungsbasierte Signale umwandeln. Navigations- und Leitsysteme profitieren von haptischen Wearables, indem sie intuitive Richtungshinweise geben, sehbehinderte Personen unterstützen und die freihändige Navigation in Bereichen wie Militär und Luftfahrt verbessern. Auch Teleoperation und Robotik können erheblich profitieren, da ferngesteuerte Robotersysteme mit haptischem Feedback dem Benutzer ermöglichen, Objekte aus der Ferne zu „ertasten“, was die Präzision bei heiklen Aufgaben wie der Roboterchirurgie verbessert.
Trotz bedeutender Fortschritte betonen die Autoren, dass die multisensorische haptische Wahrnehmung weiter erforscht werden muss. Das Verständnis dafür, wie das Gehirn die gleichzeitigen haptischen Hinweise verarbeitet, wird für die Verbesserung künftiger Geräte von entscheidender Bedeutung sein, und um eine breite Akzeptanz zu gewährleisten, muss ein Gleichgewicht zwischen technologischer Raffinesse, Benutzerkomfort und praktischer Verwendbarkeit gefunden werden. „Das ultimative Ziel ist es, haptische Geräte zu entwickeln, die sich so natürlich anfühlen wie echte Berührungen“, so O'Malley.
Rice University, Alexandra Becker, Media Relations Specialist