Interfacce da toccare con mano

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È da lungo tempo che scienziati e ingegneri, nell’esplorare le possibili forme di interazione fra uomo e computer, stanno studiando e applicando la tecnologia aptica, il cui obiettivo è fornire all’utente un’esperienza d’uso del dispositivo ancora più fisica, viva e realistica, aggiungendo alle varie funzionalità e controlli anche la capacità di riprodurre sensazioni tattili.

Fonte: Freescale

Rispetto ai segnali uditivi o visivi, quelli che danno percezioni sensoriali cutanee sono considerati più diretti, e hanno in effetti avuto grande successo e popolarità, ad esempio negli allarmi a vibrazione presenti nei telefoni cellulari, ma anche in molti altri device mobili e con interfaccia touch. Il meccanismo di riproduzione delle sensazioni tattili percepite dall’utilizzatore è basato su attuatori aptici integrati nel dispositivo.

Si possono individuare alcune categorie principali di attuatori. In quelli ERM (eccentric rotating mass – masse rotanti eccentriche), la rotazione di un eccentrico produce le onde vibrazionali. Questi attuatori sono molto diffusi nel mercato di massa, anche per la convenienza di costo, e applicati ad esempio nelle interfacce touch dei videogiochi per la creazione di vari effetti.

Un’altra categoria è costituita dagli LRA (linear resonant actuator), o attuatori risonanti lineari, che usano una bobina, un magnete e una molla per produrre le vibrazioni: il campo magnetico prodotto dalla bobina genera il movimento della molla. Gli attuatori LRA sono in grado di fornire prestazioni migliori rispetto a quelli ERM, consumando meno energia e, gestendo forme d’onda più complesse, possono produrre un’esperienza aptica più ricca per l’utente.

Una terza categoria comprende gli attuatori aptici piezoelettrici, che modificano il loro stato di forma quando viene applicata una tensione, e tale proprietà costituisce il fondamento per la creazione delle vibrazioni. Si possono poi citare gli EAP (electro-active polymer), o polimeri elettroattivi, anch’essi in grado di cambiare forma o dimensione quando stimolati da un campo elettrico, e utilizzati soprattutto negli smartphone di fascia alta.

L’attuatore, motore delle vibrazioni, per creare le sensazioni aptiche deve essere controllato da un software embedded, e integrato nell’interfaccia utente del dispositivo attraverso l’uso di opportune API (application programming interface). Il software di controllo va ottimizzato con precisione in base alle funzionalità dell’attuatore, con un algoritmo in grado di adattare di continuo la tensione sull’attuatore stesso in risposta agli stimoli, in modo da ottenere gli effetti aptici desiderati.

Il particolare valore di queste interfacce deriva dal fatto che esse sono in grado di riprodurre sia informazioni sensoriali tattili, sia di tipo cinestetico, in analogia con la particolare capacità e sensibilità dei propriocettori dei muscoli e tendini umani, che forniscono al soggetto la percezione dell’assetto del proprio corpo nello spazio, e del suo stato di contrazione, contribuendo grandemente, assieme all’integrazione con i sensi dell’udito e della vista, a una raffinata regolazione dell’attività motoria.

Nel mondo reale, toccando un oggetto (ad esempio un oggetto metallico, o uno di gomma), si è normalmente in grado di percepire, ad esempio, la sua durezza, o morbidezza, in funzione della forza di ritorno che, al contatto, l’oggetto stesso esercita sul dito. Ciò permette non solo di percepire le caratteristiche meccaniche dell’oggetto, ma anche di posizionarlo nell’ambiente reale rispetto al dito. Senza contatto, non si produce alcuna forza di reazione.

Allo stesso modo, le interfacce aptiche dei dispositivi computerizzati, attraverso sensori, sono in grado di stabilire la posizione delle dita dell’utente, e se una di queste, ad esempio, è in contatto corretto con l’oggetto virtuale, l’icona che permette l’avvio di un programma, o il simbolo grafico che fa partire l’esecuzione di una funzione. Il software del sistema può anche calcolare la forza di contatto con l’interfaccia, regolando gli attuatori per restituirne la percezione all’utente.

Dopo anni di forte evoluzione delle interfacce touch, ci si può chiedere quali siano attualmente le tecnologie allo stato dell’arte; quali gli ostacoli che ancora rallentano il miglioramento di tali interfacce, e quali i prossimi passi e innovazioni da compiere per arrivare a nuove applicazioni, sia nel mondo degli utenti business, sia nel settore dei prodotti destinati al consumo di massa. A questi interrogativi, due società attive nello spazio delle tecnologie e delle interfacce tattili – Fairchild Semiconductor e Texas Instruments – hanno dato le loro risposte.

Fig. 1 – Jon Ewald, marketing director analog signal products di Fairchild Semicondutor

La tecnologia touch, spiega Jon Ewald, marketing director analog signal products di Fairchild Semicondutor, è concentrata su tutte le funzionalità che consentono di migliorare l’esperienza d’uso dell’utente. “Questo include tutto, da un feedback di risposta a un tocco, che conferma ad esempio l’avvenuta pressione di un tasto, agli effetti aptici sofisticati che danno vita a un videogame”.

Ma cosa è davvero importante? “La chiave per ottenere buoni effetti aptici richiede la disponibilità di un buon software, e di un hardware di qualità. La tecnologia allo stato dell’arte è caratterizzata da sofisticate funzionalità e’wave form’, che forniscono all’utente una moltidudine di sensazioni, da cellulare o touchscreen. Sul versante hardware, avere driver e attuatori che rispondono con rapidità al software, con un buon controllo, completa l’esperienza dell’utente”.

Mercato aptico, oltre 55 miliardi di dollari nel 2018

Le interfacce tattili promettono di diventare un settore dell’elettronica molto fiorente nel prossimo futuro. Secondo un rapporto pubblicato quest’anno dalla società Research and Markets, il mercato globale dei touchscreen aptici crescerà con un CAGR (tasso di crescita annuale composto) del 41% dal 2013 al 2018, raggiungendo 55,77 miliardi di dollari. Un comparto, indica lo studio, in cui la società americana Immersion copre circa il 95% della quota di mercato complessiva, ma dove esistono altri importanti solution provider, come la finlandese Senseg, l’americana SMK Electronics, ed altri player.

Fonte: Texas Instruments

Il mercato complessivo è poi formato da svariati componenti (sensori cinestetici e tattili, attuatori), tecnologia touch (resistiva, capacitiva), dispositivi (touchscreen, dispositivi di input), e applicazioni (elettronica di consumo, settore automobilistico, dispositivi medicali). A stimolare l’espansione delle interfacce aptiche saranno soprattutto fattori come la necessità crescente di vie di differenziazione dei prodotti, e l’incremento della presenza dei touchscreen aptici nel mondo dell’elettronica di consumo.

Una tendenza emergente, spiega la ricerca, riguarda l’aggiunta di feedback aptici e sonori ai touchscreen usando diversi tipi di attuatori, mentre fra gli ostacoli maggiori per la crescita del mercato di questi touchscreen ci sono le sfide di progettazione dei terminali e degli handset, e gli alti consumi di energia. A livello di applicazioni, il maggior uso dei touchscreen aptici si ha nell’elettronica di consumo, cui si aggiungono ambiti come il settore industriale, automotive, medicale, le applicazioni nei POS (point of sale) e nei chioschi multimediali.

Le applicazioni nel campo della difesa e delle appliance domestiche dovrebbero adottare touchscreen aptici per il 2014, stimolate dal continuo avanzamento tecnologico nei display dedicati a tali utilizzi. La diffusione nel segmento automotive è invece guidata dalla crescente importanza conferita ai requisiti di safety e security dei sistemi. In termini di tecnologie, i touchscreen sono basati su diversi sistemi di sensing, fra cui i più importanti sono quello capacitivo, quello resistivo, e la tecnologia SAW (surface acustic wave).

Le interfacce capacitive e resistive sono utilizzate soprattutto nei touchscreen aptici. I sensori touch capacitivi detengono il 70% del mercato nella maggior parte delle applicazioni. Nei touchscreen multitocco sono preferiti soprattutto i sensori touch capacitivi, mentre quelli resistivi sono più scelti per realizzare touchscreen single touch.

La chiave per la diffusione delle tecnologie aptiche, continua Ewald, è duplice: da un lato occorre riuscire ad abbassare i costi del sistema completo e, dall’altro, è necessario fornire agli sviluppatori di app l’accesso agli effetti aptici. Il sistema è formato da software, driver e attuatore. I costi di quest’ultimo stanno scendendo lentamente, via via che i volumi crescono.

“Gli attuatori LRA stanno guadagnando popolarità per gli effetti aptici. E ciò avviene man mano che i driver diventano più sofisticati, in grado di identificare la frequenza di risonanza ed eseguire gli aggiustamenti per fornire il feedback di vibrazione ottimale. La popolarità degli effetti aptici esploderà nei prossimi anni, quando gli sviluppatori di app avranno accesso a wave form sofisticate, che generano eventi aptici molto complessi. Allora si osserverà una nuova onda di app sviluppate attorno a queste tecnologie, a cui finora non si era potuto pensare”.

La prossima generazione di tecnologie aptiche utilizzerà gli attuatori piezo. “La tecnologia piezo è in grado di fornire effetti ancora più sofisticati. Sono in corso attività di sviluppo per abbassare il costo del sistema piezo, e fornire driver in grado di supportare requisiti di tensione più elevata.

Inoltre siamo solo all’inizio di un trend nell’elettronica personale dedicata al sostegno della salute e del benessere: dai dispositivi indossabili, ai device medicali portatili. Tutti questi nuovi apparecchi incorporeranno un feedback aptico. Queste interfacce diventeranno parte delle quotidiane attività d’interazione con l’elettronica e forniranno un’esperienza utente molto più soddisfacente”.

Fig. 2 – Shreharsha Rao, haptics product line manager di Texas Instruments Incorporated,

Secondo Shreharsha Rao, haptics product line manager di Texas Instruments Incorporated, gli sviluppatori di sistemi oggi possono scegliere una varietà di soluzioni in funzione della esperienza utente che desiderano ottenere. “Per esempio, gli odierni attuatori piezoelettrici possono fornire effetti aptici ampiamente variabili in un piccolo package, quando combinati con un chip driver piezo integrato.

Questo abilita la creazione di controlli evoluti per l’interfaccia utente, come azioni di scrolling, gesture, texture, e anche la capacità di avvertire le interazioni con i videogame e i media”. Gli attuatori aptici con motore, dice, sono in grado di fornire un feedback chiaro e forte a un prezzo molto attraente, e i driver con motore, librerie di effetti integrate e driver software, semplificano per gli ingegneri il lavoro d’integrazione di queste tipologie di interfacce in qualsiasi prodotto.

“La più grossa sfida nell’implementazione delle interfacce aptiche – sottolinea Rao – è un’appropriata progettazione meccanica. Gli sviluppatori di prodotti elettronici spendono molto tempo e fatica nel ridurre o eliminare il movimento e la vibrazione. D’altronde, per fornire un buon feedback tattile, la superficie di controllo del tocco deve poter vibrare.

Questa vibrazione non deve però creare rumore udibile indesiderato o stress meccanico. Anche se questo obiettivo è senza dubbio raggiungibile, resta spesso una nuova sfida da risolvere, specie per gli sviluppatori di sistema inesperti che devono integrare interfacce aptiche nei loro prodotti”. Con la rapida crescita della tecnologia touch, oggi nel mercato si possono trovare applicazioni per ottenere feedback aptici nei controlli automotive, negli elettrodomestici bianchi, nelle attrezzature medicali diagnostiche e di monitoraggio, oltre che nelle interfacce di controllo industriali.

“Alcune molto affascinanti attività di ricerca sono in corso, utilizzando le interfacce aptiche come sistemi di comunicazione silenti o metodologie di feedback nelle applicazioni militari; o anche nella sanità, come soluzioni per la riabilitazione dei pazienti”. Un’altra affascinante area applicativa, conclude Rao, è la registrazione e riproduzione di sensazioni tattili raccolte da diversi oggetti e superfici.

E ciò può ricoprire una notevole valenza ad esempio in campo commerciale. Si pensi solo alla possibilità di ricreare virtualmente la sensazione di sentire al tatto la trama, la fattura di un tessuto o di un capo d’abbigliamento, prima di passare al suo acquisto.

Giorgio Fusari

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