عندما يتعلق الأمر بالاستجابة اللمسية، تقتصر معظم التقنيات على الاهتزازات البسيطة. لكن بشرتنا مليئة بأجهزة استشعار دقيقة تستشعر الضغط والاهتزاز والتمدد وغيرها. والآن، كشف مهندسو جامعة نورث وسترن عن تقنية جديدة تُنشئ حركات دقيقة تُحاكي هذه الأحاسيس المعقدة. وذلك في الدراسة التي نشرت في 28 مارس/آذار في مجلة ساينس.
عند وضع الجهاز على الجلد، يُطبّق هذا الجهاز اللاسلكي صغير الحجم وخفيف الوزن قوةً في أي اتجاه لتوليد مجموعة متنوعة من الأحاسيس، بما في ذلك الاهتزازات والتمدد والضغط والانزلاق والالتواء. كما يُمكن للجهاز دمج الأحاسيس والعمل بسرعة أو ببطء لمحاكاة حاسة لمس أكثر دقة وواقعية.
يعمل الجهاز ببطارية صغيرة قابلة لإعادة الشحن، ويستخدم تقنية البلوتوث للاتصال لاسلكيًا بسماعات الواقع الافتراضي والهواتف الذكية. كما أنه صغير الحجم وفعال، مما يُتيح وضعه في أي مكان على الجسم، أو دمجه مع محركات أخرى في مصفوفات، أو دمجه في الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء الحالية.
يتصور الباحثون أن جهازهم سيُحسّن في نهاية المطاف التجارب الافتراضية، ويساعد الأفراد ذوي الإعاقات البصرية على التنقل في محيطهم، ويُعيد إنتاج إحساس القوام المختلفة على الشاشات المسطحة للتسوق عبر الإنترنت، ويوفر ردود فعل لمسية لزيارات الرعاية الصحية عن بُعد.
قال جون أ. روجرز، من جامعة نورث وسترن، والذي قاد تصميم الجهاز: “جميع محركات اللمس تقريبًا تُحرك الجلد فقط. لكن الجلد مُستجيب لحواس لمس أكثر تطورًا. أردنا ابتكار جهاز يُمكّنه من تطبيق قوى في أي اتجاه – ليس فقط عن طريق الوخز، بل أيضًا عن طريق الدفع والالتواء والانزلاق. صممنا محركًا صغيرًا يُمكّنه من دفع الجلد في أي اتجاه وفي أي مجموعة من الاتجاهات. بفضله، يُمكننا التحكم بدقة في الإحساس المُعقد باللمس بطريقة قابلة للبرمجة بالكامل”.
يُعد روجرز رائدًا في مجال الإلكترونيات الحيوية، وهو أستاذ لويس أ. سيمبسون وكيمبرلي كويري لعلوم وهندسة المواد، والهندسة الطبية الحيوية، وجراحة الأعصاب، ويعمل في كلية ماكورميك للهندسة وكلية فاينبرغ للطب بجامعة نورث وسترن. كما يُدير معهد كويري سيمبسون للإلكترونيات الحيوية.
تستند الدراسة إلى أعمال سابقة من مختبري روجرز وهوانغ، حيث صمما مجموعة قابلة للبرمجة من مشغلات اهتزازية مصغرة لنقل حاسة اللمس.
في السنوات الأخيرة، شهدت التقنيات البصرية والسمعية نموًا هائلًا، حيث وفرت تجربة انغماس غير مسبوقة من خلال أجهزة مثل مكبرات الصوت المحيطية عالية الدقة والتفاصيل الدقيقة، ونظارات الواقع الافتراضي الغامرة تمامًا. إلا أن تقنيات اللمس غالبًا ما وصلت إلى مرحلة الركود. حتى أحدث الأنظمة لا تقدم سوى أنماط اهتزازية هزازة.
تنبع هذه الفجوة التنموية بشكل كبير من التعقيد الاستثنائي للمس البشري. تتضمن حاسة اللمس أنواعًا مختلفة من المستقبلات الميكانيكية (أو المستشعرات) – لكل منها خصائص حساسية واستجابات خاصة – تقع على أعماق متفاوتة داخل الجلد. عند تحفيز هذه المستقبلات الميكانيكية، ترسل إشارات إلى الدماغ، والتي تُترجم إلى لمس.
يتطلب استنساخ هذا التطور والدقة تحكمًا دقيقًا في نوع وحجم وتوقيت المحفزات المُقدمة إلى الجلد. وهذا يُمثل تحديًا هائلاً، لم تتمكن التقنيات الحالية من التغلب عليه.
قال جيه. إدوارد كولجيت، رائد تقنيات اللمس والمؤلف المشارك في الدراسة من جامعة نورث وسترن: “جزء من سبب تأخر تقنيات اللمس عن الفيديو والصوت من حيث ثرائها وواقعيتها هو تعقيد آليات تشوه الجلد”. وأضاف: “يمكن وخز الجلد أو تمدده جانبيًا. يمكن أن يحدث تمدد الجلد ببطء أو بسرعة، ويمكن أن يحدث في أنماط معقدة على سطح كامل، مثل راحة اليد بالكامل”.
وصرح كولجيت، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ماكورميك، والتر ب. مورفي: “إنها خطوة كبيرة نحو إدارة تعقيد حاسة اللمس”. وأضاف: “مشغل FOM هو أول جهاز لمس صغير ومدمج يمكنه وخز الجلد أو تمديده، والعمل ببطء أو بسرعة، ويمكن استخدامه في مصفوفات. ونتيجة لذلك، يمكن استخدامه لإنتاج مجموعة رائعة من الأحاسيس اللمسية”.
يبلغ حجم الجهاز بضعة مليمترات فقط، ويجمع بين مغناطيس صغير ومجموعة من ملفات الأسلاك، مرتبة في ترتيب متداخل. عند تدفق الكهرباء عبر الملفات، يُولّد مجالًا مغناطيسيًا. عندما يتفاعل هذا المجال المغناطيسي مع المغناطيس، يُنتج قوة كافية لتحريكه أو دفعه أو سحبه أو لفّه. من خلال دمج المشغلات في مصفوفات، يُمكنها إعادة إنتاج شعور الضغط والتمدد والضغط والنقر.
إضفاء الحيوية على العالم الافتراضي
على الجانب الآخر من الجهاز، أضاف الفريق مقياس تسارع، يُمكّنه من قياس اتجاهه في الفضاء. باستخدام هذه المعلومات، يُقدّم النظام تغذية راجعة لمسية بناءً على سياق المستخدم. على سبيل المثال، إذا كان المُشغّل على يد، يُمكن لمقياس التسارع اكتشاف ما إذا كانت راحة يد المستخدم لأعلى أم لأسفل. كما يُمكن للمُشغّل تتبع حركة المُشغّل، مُوفّرًا معلومات حول سرعته وتسارعه ودورانه.
أكد روجرز أن هذه القدرة على تتبع الحركة مفيدة بشكل خاص عند التنقل في المساحات أو لمس مواد مختلفة على شاشة مسطحة.
وأضاف: “إذا مررت إصبعك على قطعة من الحرير، فسيكون احتكاكها أقل وانزلاقها أسرع من لمس قماش مخملي. تخيّل نفسك تتسوق ملابس أو أقمشة عبر الإنترنت وترغب في لمس ملمسها”.
وأضاف روجرز: “نعتقد أن نظامنا يمكن أن يُسهم في سد الفجوة بين العالمين الرقمي والمادي. فبإضافة حاسة لمس حقيقية، تصبح التفاعلات الرقمية أكثر طبيعية وتفاعلية”.
