Haptyczne sprężenie zwrotne – ile jest nauki w fantastyce naukowej?

Haptyczne sprężenie zwrotne – ile jest nauki w fantastyce naukowej?

Ile razy zdarzało Ci się odpisywać na wiadomości w biegu? Gdy w pogoni za cennymi chwilami życia – nieco chaotycznie i rzadko kiedy śledząc wzrokiem ruchy palców – dotykam ekranu smartfona, zawsze mam pewność, że moja intencja została zarejestrowana przez urządzenie. Delikatna wibracja, którą wówczas odczuwam, a bez której trudno byłoby mi wyobrazić współczesną komórkę, nosi miano haptycznego sprężenia zwrotnego (eng. „haptic feedback”). Technologia haptyczna sięga jednak znacznie dalej niż ekran mojego smartfona.

Haptyczne sprężenie zwrotne znalazło swoje zastosowanie m.in. w systemach rzeczywistości wirtualnej (umożliwia wówczas uzyskanie realnych wrażeń dotykowych przy „wirtualnym” kontakcie z przedmiotem) (Pamungkas, Wars, 2016), robotach medycznych (interfejs haptyczny przekazuje wówczas uczucie siły oddziaływania na ciało pacjenta) (Kitagawa i in., 2005; Szczęśniak-Stańczyk, Brzozowski, Wysokiński, 2016), a nawet protezach kończyn (pozwala na odczuwanie dotyku i licznych wrażeń płynących z protezy) (Witteveen i in., 2012).

Feedback feedbackowi nierówny

W sprawie technologii haptycznej warto ednak pokusić się o pewnego rodzaju rozróżnienie. Jednym ze sposobów dostarczania haptycznego sprężenia zwrotnego jest stymulacja mechaniczna (zazwyczaj zwykła wibracja), której źródłem są silniki ERM (ang. „eccentric rotating mass”). Wibracja pojawia się podczas obracania się osi takiego silnika (Rao, 2012). Silniki te są też zazwyczaj źródłem feedbacku haptycznego w naszych komórkach. Nie wdając się w techniczne szczegóły, wspomnieć należy o tym, że mechanizm tego typu ma jedną dość istotną wadę – zużywa dużo energii (Rao, 2012).

Na szczęście istnieje jeszcze jeden, nieco bardziej wysublimowany sposób dostarczania haptycznej informacji zwrotnej. Jest nim stymulacja elektrodotykowa (ang. „electrotactile stimulation”). Metoda ta polega na dostarczaniu skórze niewielkiego napięcia elektrycznego celem stymulacji nerwów sensorycznych. W zależności od różnych parametrów – natężenia i częstotliwości prądu, miejsca zaaplikowania, a nawet właściwości elektrody – stymulacja ta pozwala na wywołanie całego spektrum doznań, takich jak  chociażby wibrowanie, swędzenie, łaskotanie, nacisk, ukłucie i ból (Akthar i in, 2018). Wszystkie te wrażenia sensoryczne można wywołać, stosując naprawdę niewielkie ilości napięcia (od  1 do 10 mA) w dość krótkim czasie (od 200 do 1000 μs). Dodatkowo stymulacji ulegają jedynie neurony zlokalizowane blisko powierzchni skóry. Oznacza to, że nieco głębiej położone motoneurony, odpowiadające m.in. za skurcze mięśni, pozostają nietknięte.

Zastosowanie?

Nieinwazyjna, energooszczędna  – właśnie ta druga metoda haptycznego sprężenia zwrotnego zyskuje coraz więcej zwolenników i zastosowań praktycznych. Jest tylko jedno drobne „ale”, które stoi na przeszkodzie ku temu, by stosować stymulację elektrodotykową na znacznie większą skalę. Na tej małej przestrzeni, która łączy skórę z elektrodą, powstaje wiele rozmaitych zakłóceń – zarówno mechanicznych (jak np. styczność elektrody ze skórą), jak i czysto fizjologicznych (np. pocenie się). Wszystko to wpływa na impedancję interfejsu skóra-elektroda, co z kolei przekłada się na dużą zmienność w intensywności odbieranych wrażeń (Akhtar, 2018). Rezystancja (czyli opór) elektrody również ulega zmianom wówczas, gdy, dla przykładu, odkleja się ona od skóry. Ten i wiele innych możliwych czynników zewnętrznych sprawiają, że oczekiwana przyjemna stymulacja sensoryczna może zupełnie przypadkowo przerodzić się w raczej mało przyjemne porażenie prądem[1]. (Akhtar, 2018).

No cóż, naukowcy prężnie się głowią nad tym, jak wyeliminować lub przynajmniej zminimalizować te zakłócenia. Jak łatwo można się domyślić, zadanie nie należy do najłatwiejszych i wymaga dużych pokładów interdyscyplinarnej wiedzy.

Niektóre dotychczasowe próby przeciwdziałania tego typu trudnościom dotyczyły redukcji zmienności odbieranych wrażeń przez regulację parametrów stymulacji – zwłaszcza amplitudy (A) i czasu jej trwania (T) w odpowiedzi na pomiar impedancji (I). Powstały różne modele tego, w jaki sposób wszystkie te zmienne (łącznie z odczuwanym wrażeniem) są ze sobą powiązane. Jeden z nich zasługuje w tym kontekście na szczególną uwagę.

Model ten został zaproponowany przez badaczy z USA i całkiem niedawno został opublikowany na łamach Science Robotics. Badaczom udało się bowiem istotnie zminimalizować zmienność przez modulację parametrów stymulacji w odpowiedzi na pomiar impedancji. Jak to osiągnęli? Drogą licznych eksperymentów.

Etapy pracy nad modelem

Najpierw pokusili się o wytworzenie wzoru[2] relacji pomiędzy parametrami stymulacji oraz impedancją (Akhar i in., 2018). Próby zaaplikowania tego modelu do danych eksperymentalnych wykazały, że jest to na chwilę obecną, jeden z najlepiej dopasowanych modeli (sprawdził się w wielu różnorodnych warunkach eksperymentalnych i miał całkiem wysokie parametry statystyczne). Gdy się okazało, że dotychczasowe działania zmierzają w dobrym kierunku, zdecydowali się na zaimplementowanie sterownika, regulującego intensywność odbieranych wrażeń. Sterownik ten trafnie przewidywał parametry stymulacji na podstawie intensywności wrażeń. Po pomyślnym przebiegu także tego etapu badaczom nie zostało nic, jak tylko ostatecznie zweryfikować poprawność modelu przez jego wdrożenie.

Do udziału w ostatnim, poniekąd rozstrzygającym etapie, zaproszono dwie osoby z amputowanymi kończynami górnymi. Badani mieli okazję przetestować protezy z funkcją haptycznego sprężenia zwrotnego. Rzecz jasna, protezy te zawierały także sterownik regulujący intensywność odbieranych wrażeń w odpowiedzi na duże zmiany impedancji, które mają prawo się zdarzać w życiu codziennym (Akhtar, 2018). Jak się okazało, na skutek wprowadzonych usprawnień, udało się znacząco obniżyć ryzyko porażeń prądem lub utraty odbieranych wrażeń na skutek zakłóceń. Czyż to nie sukces?

Od strony czysto technicznej, zarówno sama technologia haptyczna, jak i model zaproponowany przez badaczy, wymaga jeszcze dużo dalszych badań. Jedno wiemy na pewno: model ten ma duży potencjał praktyczny i sprawia, że rzeczywistość coraz bardziej zaczyna przypominać film z gatunku science fiction.

Bibliografia:

Akhtar, A., Sombeck, J., Boyce, B., Bretl, T. (2018). Controlling sensation intensity for eletrotactile stimulation in human-machine interfaces. Science Robotics, 3.

Kitagawa, M., Dokko, D., Okamura, M., Yuh, D.D. (2005). Effect of sensory substitution on sututre-manipulation forces for robotnic surgical systems. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, 129, 151-158.

Pamungkas, D., Ward, K. (2016). Electro-tactile feedback system to enhance virtual reality experience. International Journal of Computational Systems Engineering, 8 (465).

Rao, S. (2012). High-definition haptics: Feel the difference! Analog Applications Journal, 3, 29-34.

Szczęśniak-Stańczyk, D., Brzozowski, W., Wysokiński, A. (2016). Zastosowanie robotów medycznych w kardiologii — przegląd obecnych rozwiązań technicznych. Kardiologia Inwazyjna, 11(5), 40-44.

Witteveen, H.J.B., Droog, E.A., Rietman, J.S., Veltink, P.H. (2012). Vibro- and electrotactile user feedback on hand opening for myoelectric forearm prostheses. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 59, 2219-2226.

 

 


[1] Dzieje się tak wówczas, gdy na skutek odklejenia się elektrody zmniejsza się powierzchnia kontaktu ze skórą, a więc cały potencjał elektryczny, zamiast równomiernie się rozłożyć po całej powierzchni, zostaje skupiony w jednym małym obszarze

[2] Czytelników zainteresowanych poszczególnymi wzorami matematycznymi zapraszam do zapoznania się z artykułem źródłowym.

Trochę kontekstu Początki współczesnej neuropsychologii są ściśle związane z badaniem języka, który pozostaje nie tylko jedną... czytaj więcej
Jak mówi porzekadło – sport to zdrowie. Prawdopodobnie znacie to uczucie, gdy po wysiłku fizycznym mimo zmęczenia czujecie si... czytaj więcej
Nie lubimy się mylić. Nie lubimy też, gdy ktoś, choć nawet życzliwie, wytyka nam nasze błędy. Chyba najbardziej jednak nie lu... czytaj więcej
Zaburzenia ze spektrum autyzmu (autism spectrum disorder - ASD) są najczęściej występującymi zaburzeniami neurorozwojowymi wi... czytaj więcej