Haptiikkaa hyödyntävä tuotesuunnittelu

Digitaalisia työkaluja ja palveluita hyödyntävien laitteiden suosion ja hyödyn kasvu motivoi tuotesuunnittelijoita yhä enemmän integroimaan haptisia teknologioita, jotka takaavat käyttäjien korkeamman sitoutumisen ja tarjoavat immersiivisempiä kokemuksia. Digitaalisten käyttöliittymien parantaminen kosketukseen perustuvilla aistimuksilla lisää taktiilia vuorovaikutusta ja luo lisäkokemuksia, jotka täydentävät näköä ja kuuloa tai ulottuvat niitä pidemmälle. Suunnittelijat, jotka haluavat käyttää hyväksi haptisia ominaisuuksia, voivat hyödyntää helposti saatavia komponentteja uusien käyttötapausten ja liiketoimintamahdollisuuksien löytämiseksi.

Haptiikkaa hyödynnetään jo nyt hyvin näkyvissä kuluttajatuotteissa älypuhelimista autoihin, myyntipistelaitteisiin ja pankkiautomaatteihin. Niitä käytetään myös lääketieteellisissä laitteissa ja kirurgisissa välineissä, teollisuus- ja tuotantokoneissa sekä rakennusautomaatiosovelluksissa.

Haptiikan alkuperä juontaa vuoteen 1880, jolloin Pierre ja Jacques Curie todistivat eräiden materiaalien olevan pietsosähköisiä ja joissa mekaanista voimaa käyttämällä voidaan synnyttää pieni sähkövaraus. Käänteinen pietsosähköinen ilmiö synnyttää materiaalissa fyysistä liikettä, kun siihen kytketään jännite. Tätä hyödynnettiin ensimmäisten sukellusveneiden ultraäänitunnistusjärjestelmien ja ilma-alusten radiojärjestelmien kehittämisessä. Näillä samoilla periaatteilla toimivat aktuaattorit ja muuntimet, joita käytetään yleisesti pienissä kaiuttimissa, mikrofoneissa ja jopa musiikkilahjakorteissa.

Haptisten ominaisuuksien yhdistäminen virtuaalitodellisuuteen (VR), lisättyyn todellisuuteen (AR) ja esineiden internetiin (IoT) voi parantaa huomattavasti käyttäjien sitoutumista nykyisiin laitteisiin ja tasoittaa tietä uusille sovelluksille. Pietsosähköiset haptiset aktuaattorit lisäävät realistisen tunnun virtuaaliseen vuorovaikutukseen, jossa värinät luovat luonnollisen ja mukaansatempaavan reagointikyvyn tunteen, esimerkiksi simuloitaessa pelikokemuksia kilpa-ajosta aseiden laukaisuun.

Haptiikalla voi olla ratkaiseva merkitys, kun kriittisissä hälytyksissä on voitettavana näkö- tai äänirajoituksia. Lääketieteellisissä ympäristöissä haptiikka voi esimerkiksi auttaa lääkäreitä reagoimaan nopeammin useisiin syötteisiin, mikä voi pelastaa henkiä tilanteissa, joissa jokainen sekunti on ratkaiseva positiivisen lopputuloksen kannalta.

Tulevaisuuden aistiminen: sovellukset ja käyttötapaukset

Haptiikan potentiaalia rajoittaa vain tuotesuunnittelijoiden visio. Koska AR- ja VR-teknologioiden suosio kasvaa ja tekoäly (AI) ja koneoppiminen (ML) kehittyvät yhä edelleen, haptiikalla tulee todennäköisesti olemaan merkittävä rooli yhä immersiivisempien digitaalisten kokemusten tuottamisessa useilla eri aloilla, kuten seuraavilla:

• Lääketiede, jossa haptiikkaa on jo alettu käyttää robottiavusteisessa kirurgiassa ja invasiivisissä hammaslääketieteellisissä toimenpiteissä, sillä se auttaa replikoimaan lääkäriammatissa vuosien aikana hankitun kosketus- ja tuntokokemuksen. Haptiikka voi edistää virtuaalitodellisuuteen yhdistettynä lääkinnällisten taitojen oppimista simuloimalla reaalimaailman toimenpiteitä tavalla, joka tarjoaa käytännön kokemusta skalpellin käsittelystä sydämen tykytykseen. Haptiikka voi edistää vakavia vammoja saaneiden potilaiden kuntoutusta auttamalla aivohalvauksen uhreja oppimaan uudelleen keskeisiä motorisia taitoja ja tarjoamalla amputoiduille mahdollisuuden voittaa mekaanisten proteesien rajoitukset.
• Autoteollisuuden käyttötapaukset, joissa haptiikka jo tarjoaa autonkuljettajille taktiilisia varoituksia kaistalta poistumisesta ja huonosta ohjauspyöräotteesta. Älykellojen integrointi navigointijärjestelmiin mahdollistaa kuljettajien varoittamisen lähestyvästä kääntymisestä, jotta heidän ei tarvitsisi siirtää katsettaan näytöillä oleviin karttoihin.
• Teollisuudessa ja tuotannossa, missä raskaiden laitteiden käyttäjien ja tuotantolinjan työntekijöiden huomio kiinnittyy helposti muualle, koska heidän on katsottava painikkeita tai näyttöjä. Haptiikka voi auttaa heitä keskittymään edessä tai takana oleviin tehtäviin ja varmistamaan, että he ovat tehneet oikeat valinnat tarvitsematta kääntää katsetta. Haptiikkaa voidaan sisällyttää käsineisiin ja vaatteisiin, jotta koneiden tarkka kauko-ohjaus ja tarkkuus olisi mahdollista keräilytehtävissä ja jotta palautetta tai hälytyksiä voitaisiin antaa mahdollisesti vaarallisissa ympäristöissä.
• Vähittäiskauppa- ja rahoituspalveluissa asiakkaat voivat käyttää haptiikkaa myyntipäätejärjestelmiin ja pankkiautomaatteihin liittyvissä tavallisissa jokapäiväisissä rutiineissa, kuten kortti- ja mobiililaitetapahtumien vahvistamisessa. Haptiikan ja AR-/VR-teknologioiden yhdistäminen tarjoaa mahdollisuuksia monipuolisiin verkkokauppakokemuksiin. Ne mahdollistavat sen, että kuluttajat voivat jäljitellä virtuaalisesti sitä, mitä he odottavat kokevansa fyysisessä vähittäiskaupassa.
• Viihde-elektroniikka on osoittautunut kypsäksi haptiikkaa varten. Ensimmäinen haptinen älypuhelin esiteltiin vuoden 2000 Consumer Electronics Show -messuilla, ja teknologia otettiin nopeasti käyttöön Android- ja Apple-älypuhelimissa alun perin parantamaan käyttäjäkokemusta kirjoitettaessa virtuaalinäppäimistöllä ja painettaessa näytön kuvakkeita. Haptiikka saavutti kuitenkin jo sitä ennen menestystä rikastuttamalla videopelaajien kokemusta 1990-luvulla, jolloin ohjaimet ja lisävarusteet, kuten ohjauskahvat, tarjosivat taktiilista palautetta muun muassa ajo- ja ammuntapeleissä. Kuluttajalaitteiden ja digitaalisten palveluiden kehittyessä koko ajan – kuntoilulaitteista AR/VR-kuulokkeisiin ja -laseihin – tuotesuunnittelijat pyrkivät kehittämään kilpaa uusia ominaisuuksia, jotka tekevät digitaalisesta maailmasta yhtä konkreettisen kuin fyysisestä.

Komponentit menestykseen: vaihtoehtoja jokaiseen tarpeeseen

Tuotesuunnittelijat voivat käyttää helposti saatavia komponenttivalikoimia omiin spesifikaatioihin ja sovellustarpeisiin sopivien haptiikkaa käyttävien käyttöliittymien luomiseksi.

Ensimmäinen askel on käytettävissä olevien teknologioiden ja niiden suunnitteluvaatimusten välisten erojen ymmärtäminen. Sähkömekaaniset komponentit ovat kaikkein yleisin tekniikka haptisten vasteiden tuottamiseen. Ne ryhmitellään yleisesti seuraaviin pääluokkiin:

• Epäkeskisen pyörivän massan (ERM) aktuaattorit käyttävät DC-moottoriin kiinnitettyä epäkeskistä pyörivää massaa luomaan värähtelyjä, jotka voivat tuottaa matalataajuisia ”jyrinätuntemuksia" (kuva 1). Aktuaattori värähtelee taajuudella, joka korreloi suoraan komponentin käyttöjännitteen kanssa. Koska pyörivän moottorin saattaminen haluttuun nopeuteen jännitteen kytkemisen jälkeen – ja moottorin hidastaminen pysäytykseen saakka – kestää jonkin aikaa, nämä aktuaattorit sopivat parhaiten sovelluksiin, joissa tarvitaan tunnistettava värähtelyvaikutus, mutta ei välttämättä tarkkoja värähtelykuvioita. PUI Audio tarjoaa useita ERM-aktuaattoreita, kuten pinta-asennettava malli HD-EMB1104-SM-2. Se tarjoaa vahvan haptisen palautteen pienessä kotelossa, jonka mitat ovat 3,4 mm x 4,4 mm x 11 mm. Tämä malli soveltuu lääketieteen, autoteollisuuden ja teollisuuden sovelluksiin, kuluttajalaitteisiin ja kannettaviin laitteisiin sekä turvalaitteisiin. Toinen vaihtoehto on PUI Audion harjaton HD-EM0602-LW15-R DC ERM, joka tarjoaa paremman nopeus- ja vääntömomenttisäädön ja käyttöiän kuin harjalliset aktuaattorit.

Kuva 1: ERM-aktuaattorin räjäytysnäkymä. (Lähde: PUI Audio)

• Lineaarisen resonanssiaktuaattorin (LRA) komponentteja (kuva 2) ohjataan AC-virralla, ja ne tuottavat värähtelyä kahteen suuntaan yhdellä akselilla mahdollistaen korkearesoluutioiset, herkästi reagoivat värähtelykuviot informaation välittämiseksi käyttäjälle. LRA-aktuaattorit tuottavat värähtelyjä liikuttamalla massaa lineaarisessa suunnassa ohjaamalla kelan magneettikenttää. Tämä riippuu laitteeseen kytketyn signaalin taajuudesta ja jännitteestä, jolloin sekä värähtelyn voimakkuutta että taajuutta voidaan ohjata toisistaan riippumatta. Toisin kuin ERM-aktuaattoreissa, käyttäjät tuntevat LRA-laitteessa värähtelyn heti, kun kela on magnetisoitu ja massa liikkuu ylös- tai alaspäin. Tämä tekniikka on muistuttaa perinteisiä kaiuttimia, joissa käämiä ohjataan aaltomuodolla, joka saa magneetin ja kalvon liikkumaan ja tuottamaan ääniaaltoja. PUI Audion HD-LA1307-SM on vedenpitävä, IP-luokiteltu, pinta-asennettava LRA-aktuaattori, joka mahdollistaa saumattoman integroinnin erilaisiin loppusovelluksiin, kuten virtuaalitodellisuusympäristöihin, pelikonsoleihin, lääketieteellisiin simulaattoreihin, kämmenlaitteisiin sekä viihde-elektroniikan ja teollisuuden ohjauskäyttöliittymiin.

Kuva 2: LRA-aktuaattorin räjäytysnäkymä. (Lähde: PUI Audio)

• Äänikelamoottorit (VCM), joita kutsutaan myös äänikela-aktuaattoreiksi (VCA) (kuva 3), käyttävät samaa äänikelatekniikkaa kuin LRA-aktuaattorit, mutta ne muistuttavat vielä enemmän kaiutinta. Massa liikkuu lineaarisesti kuten LRA-aktuaattorissa, mutta sen koko ja massa ovat suuremmat, mikä tuottaa voimakkaamman ja realistisemman värähtelyvaikutuksen kuin mitä LRA-aktuaattorilla on mahdollista replikoida. PUI Audion sylinterimäinen VCM HD-VA2527 tarjoaa joustavia ja kompleksisia värähtelyefektejä.

Kuva 3: VCA-aktuaattorin räjäytysnäkymä. (Lähde: PUI Audio)

• Pietsosähköiset haptiset komponentit, joita kutsutaan usein myös pietsosummereiksi, perustuvat käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen. Ne koostuvat litteistä kerroksista aktiivista pietsosähköistä materiaalia, jotka taipuvat ja kutistuvat, kun niihin kytketään jännite, jolloin ne synnyttävät ääntä ja värähtelyä. Niitä on saatavana levyinä, kuten PUI Audion HD-PAB1501, ja nauhoina, kuten HD-PAS2507. Pietsosummereilla voidaan tuottaa ennenkuulumattoman realistisella tavalla kompleksisempia ja yksityiskohtaisempia signaaleja, kuten sydämenlyönnin ääni. Nämä komponentit tarjoavat korkeamman siirtymätarkkuuden, korkeamman reagointinopeuden, voimakkaamman generointivoiman ja pidemmän käyttöiän. Ne vaativat ERM- ja LRA-aktuaattoreita korkeamman jännitteen, mutta suunnittelijat voivat käyttää integroituja ”taivutusohjaimia” jännitevaatimusten täyttämiseksi pienjännitelähteitä käytettäessä.

Yhteenveto

Tuotesuunnittelijat voivat hyödyntää runsasta komponenttivalikoimaa integroidessaan haptiikkaa laitteisiin. Heidän täytyy arvioida, minkä tyyppistä värähtelyä sovellus tarvitsee, sekä kunkin aktuaattorin hyödyt ja rajoitukset suunnitteluspesifikaatioiden, loppukäyttäjän tarpeiden ja erityissovellusten täyttämiseksi. Valitsemalla ratkaisut oikein on mahdollista luoda uusia haptiikkaa hyödyntäviä tuotteita, jotka synnyttävät uusia liiketoimintamahdollisuuksia.