Met trillende vingers…: Haptivity zorgt voor het ‘drukknop-gevoel’

De goeie oude drukknop beschikt inherent over een plezierige eigenschap: hij geeft tactiele terugkoppeling. Met andere woorden: je voelt wanneer je de knop hebt ingedrukt en er een schakelmoment is geweest. Dat gevoel zijn we kwijtgeraakt met de moderne smartphones en touchscreens, waarbij je toetst op een onbeweeglijk plat vlak. Het ontbreken van het ‘drukknopgevoel’ wordt dan soms gecompenseerd door een visueel signaal, een geluidje of door het trillen van het toestel. Dat haalt het niet bij het origineel en daarom zijn veel fabrikanten op zoek naar een methode die het vertrouwde gevoel weer teruggeeft, maar dan in moderne gebruikersinterfaces.

Ook al raken we langzamerhand gewend aan aanraakschermen, de virtuele druktoetsen bieden nooit dezelfde zekerheid als hun mechanische voorgangers. Haptische terugkoppeling is een belangrijk deel van het zeker bedienen van toestellen, de haptische waarneming laat je merken dat een gewenste bedieningshandeling daadwerkelijk is uitgevoerd. Bij een druktoets met tactiele terugkoppeling vertelt je tastzin je dat de toets is ingedrukt.

Haptische waarneming

Om te begrijpen hoe die tactiele terugkoppeling precies werkt, is een klein biologielesje op zijn plaats. Tactiele terugkoppeling is een vorm van haptische terugkoppeling, die leidt tot een zogeheten haptische waarneming, oftewel de zintuiglijke waarneming die dankzij bepaalde biologische receptoren tot stand komt. De tactiele waarneming betreft specifiek de dingen die je voelt met je vingers of op het huidoppervlak en is het gevolg van bepaalde typen en volgorden van zenuwstimulatie. Druk geeft een tactiele sensatie die de determinatie mogelijk maakt van bepaalde kwaliteiten van het aangeraakte object, zoals hardheid of zachtheid. De textuur van een voorwerp wordt afgeleid van trillingen op het huidoppervlak als het voorwerp wordt aangeraakt.

De huid heeft daarvoor een aantal verschillende sensoren – de zogeheten lichaampjes van Pacini, Ruffini, Meissner en Merkel – die aan het brein informatie doorgeven over textuur, trilling, druk en dergelijke. De lichaampjes hebben elk hun eigen functie en werken op een complexe manier samen.

  • Het Lichaampje van Pacini is zeer gevoelig voor trillingen (0,01 µm bij 200 Hz).
  • Het Lichaampje van Ruffini speelt een belangrijke rol bij het waarnemen van grip. Het wordt geprikkeld door een stevige, permanente druk.
  • Het Lichaampje van Meissner is gevoelig voor lichte tast en beweging.
  • Het Lichaampje van Merkel wordt geprikkeld door fijne aanraking en trillingen met een zeer lage frequentie en zorgt bijvoorbeeld voor de detectie van vorm en textuur.

huid

Figuur 2. De huid met de verschillende tastreceptoren.

Octrooi

Met zoveel biologische sensorinformatie zou je verwachten dat er een robuust waarnemingssysteem ontstaat, maar nee, ook deze zintuigen kunnen voor de gek worden gehouden. En daar maakt de Japanse fabrikant Kyocera dankbaar gebruik van in hun gepatenteerde beeldschermtechniek met  haptische terugkoppeling, die ze ‘Haptivity’ hebben gedoopt. Bij het werken met een virtueel toetsenbord op een beeldscherm met Haptivity krijg je bij het indrukken van een toets dezelfde gevoelservaring als met een mechanisch keyboard. En daarbij helpt het zintuigbedrog een handje. Met haptische technieken lever je correcte en ‘echte’ fysieke informatie aan de menselijke sensoren maar creëer je een illusie van de gewenste perceptie in het brein. Details van de techniek zijn vastgelegd in een Europees otroooi, getiteld ‘Input Apparatus and Control Method of Input Apparatus’. Dat onder nummer EP 2 461 233 B1 online te vinden is.

geen knop Figuur 3. Dit is geen knop… maar het voelt wel zo.

Foppen

Om de illusie mogelijk te maken heeft Kyocera diepgaand onderzoek gedaan naar de menselijke fysiologie. Haptische terugkoppeling is in feite niets anders dan het stimuleren van een aantal sensoren in de vingers. Het foppen van het brein is te danken aan het feit dat de vinger geen onderscheid kan maken tussen een verticale beweging en een verticale trilling van het scherm en evenmin tussen  een horizontale beweging en een horizontale trilling. Alleen de waarde van de versnelling wordt waargenomen.

Haptische terugkoppeling kan dus worden gerealiseerd door een verticale buiging van het doeloppervlak, en ook door horizontale en verticale trillingen.  Kyocera kiest voor dat laatste. Een eenvoudige trilling van het schermoppervlak kan weliswaar al aangeven dat er een aanraking heeft plaatsgevonden, maar biedt nog niet de perceptie van een echte drukknop. Voor het echte drukknopgevoel is het volgende nodig:

  • Drukgevoel bij een gespecificeerde drukdetectiedrempel;
  • Trilling met een specifieke frequentie, met ‘one shot’ golf en natuurlijke demping;
  • Korte timing-golfoutput na het waarnemen van vingerdruk;
  • Verschillende frequenties en golfvormen voor verschillende druktoetservaringen (bijvoorbeeld een echte ‘klik’, zachte aanraking, harde aanraking).

Haptivity geeft je die druktoetservaringen door het stimuleren van de Pacini-lichaampjes. Dat gebeurt in een tweetraps proces. Bij het drukken op een toets creëert de techniek de illusie van de micro-beweging die kenmerkend is voor echte knoppen, Na harder drukken simuleert het systeem de eigenlijk klik: het brein registreert het vertrouwde druktoetsgevoel. Het gaat in feite dus om een ‘virtual reality’-techniek, die Kyocera wil gebruiken om een mechanische toetsenbord te simuleren op een displayscherm.

Configuratie

De configuratie van de Haptivity-component is te zien in figuur 5. Het aanraakmoment wordt gedetecteerd door een capacitieve sensor. De haptic controller analyseert de aard van de aanraking en de gewenste vingerstimulatie wordt geproduceerd door piëzo-elektrisch componenten. De controllersoftware voert een programma uit dat bepaalt welk type stimulatie nodig is. De sequentie van speciale drukdetectie en frequentie kan naar believen het gevoel simuleren van het drukken op een gewone drukknop, op een rubberachtige toets of op een increment-wiel – om slechts enkele van de mogelijkheden te noemen – zonder een grote beweging van het oppervlak van het aanraakpaneel. Die diversiteit aan gevoelservaringen is mogelijk door de volgende eigenschappen van het Haptivity besturings-IC:

  • Zeven stappen bij het indrukken, zodat ‘multi-step’ bediening mogelijk is;
  • 256 druk-drempelwaarden maken een zeer nauwkeurige instelling van de drukkracht mogelijk;
  • 14 verschillende golfpatronen voor het gevoel van verschillende soorten knoppen;
  • Instelbare vibratiesterkte in stappen van 1 …100 voor nauwkeurige beheersing van de bediening;
  • Na plaatsing: correctie voor niveau van de drempelwaarde, trillingssterkte en de frequentiekarakteristiek.

golfvorm

Figuur 4. Aansturing gebeurt met een per gevoelservaring specifieke one-shot golf.

Omdat het Haptivity-systeem werkt op basis van piëzo-componenten kent het bovendien nog de volgende voordelen, die vooral ook van belang zijn voor toepassing in mobiele toestellen:

  • Piëzo’s zijn dun en licht (20 mm x 2 mm x 0,5 mm);
  • Piëzo’s zijn snel: de responstijd ligt in het microsecondegebied;
  • Piëzo’s hebben een lag vermogensconsumptie.

principe

Figuur 5. De Haptivity-configuratie.

trilling

Figuur 6. Actuatoren verzorgen de horizontale en verticale trillingen.

Kyocera wil Haptivity gaan gebruiken in de eigen producten, maar het is zeer waarschijnlijk dat ook andere producenten een licentie op deze techniek willen nemen.

En voor wie denkt ‘mijn zintuigen houd je niet voor de gek’: Kyocera-vertegenwoordiger Adelco Electronics  demonstreerde Haptivity op het onlangs gehouden User Interface Design Event in Eindhoven. Iedereen die het probeerde kon alleen maar beamen: voelen is geloven.

Adelco Electronics

(010) 2 580 580

www.adelco.nl

demonstrator

Figuur 7. Haptivity demonstratiescherm.