Мохнатый планшетник, надувной смартфон

Звучит невероятно, но однажды Всемирная паутина станет доступной для осязания. Модифицированные сенсорные экраны будут создавать весьма убедительные иллюзии, заставляя верить, что трогаешь реальные вещи. В играх, файлах и всевозможных приложениях будет использоваться графика нового поколения, которая подарит настоящие тактильные ощущения, и обычные веб-страницы приобретут текстуру кожи или, скажем, наждачной бумаги.

Революционная технология уже готовится начать свое шествие по планете. Есть сведения, что корпорация Apple пытается запатентовать ее еще с 2009 года, а компании Nokia и Microsoft уже заканчивают разработку своих первых дисплеев с графикой, которую можно потрогать руками.

Итак, судя по всему, совсем скоро пользователи получат возможность не только видеть и слышать, но и ощущать под пальцами биты и байты, а значит, их взаимодействие с цифровым миром выйдет на принципиально новый уровень. Добро пожаловать в эру суперсенсорных технологий!

Первые в мире тачскрины были установлены на британских авиадиспетчерских башнях в 1967 году, рассказывает сотрудник Microsoft Research Билл Бакстон, обладатель внушительной коллекции технических устройств прошлых лет. Эти экраны были емкостными, то есть реагировали на прикосновение пальцев за счет изменения своего электростатического поля. Данная технология до сих пор используется в большинстве телефонов и КПК.

На протяжении нескольких десятилетий сенсорными дисплеями могли похвастаться разве что крупные стационарные компьютерные терминалы в общественных местах, например, в школах, музеях или банках. Первый смартфон — Simon, выпущенный компанией IBM в 1993 году, — был снабжен сенсорными кнопками, однако модель не заслужила популярности в народе. И только в 2007 году фирма Apple выпускает свой iPhone, который мгновенно становится хитом продаж и образцом для подражания. По прогнозам специалистов, к 2016 году 97% смартфонов будут иметь сенсорные экраны, а ведь еще в 2006 году таких было всего 7%. В ряду самых последних технических новинок используется не одна, а несколько чувствительных панелей. К примеру, у игровой консоли PlayStation Vita от фирмы Sony их две: дисплей спереди и тачпэд в задней части корпуса.

От касания к осязанию                                        

Открывать, сжимать и перетаскивать по экрану окна программ, фотографии и веб-страницы с помощью пальцев очень удобно: на сегодняшний день это, без сомнения, самый интуитивно понятный способ взаимодействия с объектами виртуального мира. И все же, по мнению многих разработчиков и исследователей, у сенсорных дисплеев есть один недочет: все они на ощупь представляют собой банальное стекло. А между тем человек познает окружающую действительность сразу всеми органами чувств, и ни одна, даже самая реалистичная видеоигра не способна подарить ему то богатство тактильных ощущений, которое он испытывает при «общении» с настоящими предметами. «Для нас, как человеческих существ, этот фактор имеет большое значение», — отмечает разработчик пользовательских интерфейсов Иван Пупырев. Весь вопрос в том, как сделать цифровую информацию осязаемой, и сегодня исследователи могут на него ответить.

Некоторые смартфоны и планшетники фирм LG, Nokia и Samsung уже наделены усовершенствованной сенсорной системой. Самые простые из них отвечают на прикосновения вибрацией, создавая иллюзию, будто вы реально нажимаете на кнопку на экране. Источниками колебаний служат крошечные генераторы, разработанные компанией Immersion Corporation из Сан-Хосе (Калифорния, США). Уже установлено, что набирать текст на виртуальной клавиатуре с такой функцией значительно проще.

Однако это не единственное преимущество технологии. Специалисты Immersion уже создали смартфоны, воспроизводящие дрожание гитарных струн, отдачу виртуального ружья и перекатывание шарика внутри корпуса устройства. Подобные эффекты призваны добавить реалистичности видеоиграм, отмечают представители компании.

Свою карьеру Пупырев тоже начинал с разработки вибрирующих дисплеев. В 2005 году, работая в компании Sony, он участвовал в создании пульта дистанционного управления на пьезоэлектрических элементах, которые, электризуясь, вызывали колебания стекла, имитируя чувство, возникающее при нажатии на кнопку. Данная технология, возможно, обогнала свое время, вспоминает Пупырев, однако так и не получила дальнейшего развития. Дело в том, что столь сильные вибрации могли выдержать лишь сравнительно толстые экраны, совершенно неприемлемые для смартфонов и карманных ПК. Поэтому пришлось искать альтернативные способы создания ощущений.

Покинув Sony, Пупырев устроился в лабораторию Disney Research в Питтсбурге (штат Пенсильвания, США). Это научно-исследовательское подразделение медиаимперии Disney потихоньку занимается разработкой технологий, рассчитанных на массовое потребление, привлекая специалистов из университетов США и Европы. Перед Пупыревым поставили задачу сконструировать такой тачскрин, который вызывал бы тактильные ощущения безо всяких механических колебаний.

В этот раз ученый решил задействовать феномен под названием «электровибрация», случайно открытый в 1953 году. Однажды химик Эдвард Маллинкродт заметил, что гнездо латунной розетки кажется более шероховатым на ощупь, когда к нему подключен горящий светильник. Исследователь пришел к выводу, что такое ощущение создается благодаря току небольшой силы, проходящему через латунь вследствие плохой изоляции. Тот же эффект Маллинкродт наблюдал, подводя переменный ток к различным проводящим поверхностям, в числе которых было даже свежеприготовленное куриное яйцо (Science, т. 118, с. 277).

Волшебное электричество

Проведя еще ряд экспериментов, Маллинкродт раскрыл причины необычного явления. Параметры переменного тока меняются с определенной частотой. Когда вы дотрагиваетесь до наэлектризованной поверхности пальцем, на коже скапливаются противоположные заряды, проникающие в эпителий на глубину до 10 микрометров. Напряжение все время варьируется, соответственно, меняется и сила электрического притяжения между устройством и вашим пальцем. Однако вы ничего не почувствуете, пока не начнете двигать свою руку вдоль проводящей поверхности. Тогда к электростатическому взаимодействию добавится трение, что вызовет вибрации, регистрируемые кожными рецепторами трех разных типов. Эти вибрации аналогичны тем, что возникают, когда вы поглаживаете нечто шершавое, например дерево, грубую ткань или наждачную бумагу, поэтому мозг интерпретирует их не как нечто «электрическое», а точно так же — будто гладится наждачная бумага.

С помощью этой иллюзии Пупырев и его коллеги в 2010 году создали сенсорную панель TeslaTouch, которая может быть встроена в банкоматы, мобильные телефоны и даже интерактивные стены. Ученые выяснили, что при высокой частоте тока экран, как правило, кажется более гладким, чем при низкой. По словам самих разработчиков, порождаемые панелью тактильные ощущения носят несколько искусственный характер. Тем не менее испытания показали, что при 400 Гц поверхность дисплея становится похожа на бумагу, а при 80 Гц — на грубую кожу или дерево. Теоретически эти эффекты можно было бы использовать в оформлении различных приложений и вебсайтов, отмечает Пупырев. Так, страницы электронных книг, например, могли бы обрести текстуру настоящей бумаги.

Пупырев, чье изобретение пока находится в стадии прототипа, далеко не единственный, кто делает ставку на иллюзии, создаваемые электровибрацией. Специалисты финской компании Senseg сконструировали похожий экран, который, если верить слухам, скоро станет составным элементом смартфонов на платформе Android и, возможно, некоторых технических новинок фирмы Apple. Не отстает в этом плане и компания Nokia, ведущая разработки в той же области.

В чем сила? Сила в герцах!

Тем не менее для полной имитации реальных тактильных ощущений одной текстуры маловато. Еще один важный фактор — механическая сила. Поворачивая дверную ручку или щелкая выключателем, вы чувствуете сопротивление со стороны физических объектов. Эд Колгейт из Северо-Западного университета в Чикаго и его коллеги долго искали способ, позволяющий воспроизвести эффект противодействия, в первую очередь тот, который возникает, когда вы проводите пальцем по реальной клавиатуре. Итогом работы стал экран под названием LateralPad, вибрирующий с частотой 22 000 Гц.

В отличие от более сильных вибраций, создаваемых обычными телефонами, такие колебания не воспринимаются ни человеческим ухом, ни кожными рецепторами. В то же время благодаря им поверхность дисплея может двигаться в абсолютно любых направлениях. Синхронизируя движения по вертикали и горизонтали, экран генерирует силу величиной до 70 миллиньютон, которая отталкивает ваш палец вправо или влево относительно точки прикосновения.

В итоге вам кажется, будто вы жмете на реальные переключатели. Колгейту удалось даже сымитировать чувство, возникающее при нажатии на выпуклую кнопку — такую, как кнопка «home» у iPhone. Вибрации, идущие от края виртуальной клавиши к ее центру, вызывают ощущение вдавливания пальца в экран.

Немного поэкспериментировав с направлением действия сил, Колгейт добился иллюзии выключателя света. Ученому настолько понравилось щелкать виртуальным тумблером, что он готов был заниматься этим до бесконечности. «Я напоминал сам себе одну из тех обезьян, которые все время нажимают на рычажок автомата с апельсиновым соком лишь потому, что сам процесс стимулирует у них выделение дофамина», — признается исследователь.

Подобные экраны, несомненно, вывели бы компьютерные игры на новый уровень. Представьте, что, играя на своем телефоне в Angry Birds, вы чувствовали бы, как под вашим пальцем натягивается жгут рогатки с заряженной в него птичкой. Программы и файлы тоже могли бы обзавестись новыми интуитивно понятными свойствами. Скажем, папки с фотографиями по мере заполнения становились бы все «тяжелее», требуя все больше усилий для перемещения их по рабочему столу.

К сожалению, в ближайшие годы внедрения технологии Колгейта в смартфоны и КПК не предвидится, что не в последнюю очередь связано с дороговизной системы комплексной вибрации. Тем не менее ученый основал компанию Tangible Haptics, которая продолжает вести разработки в данном направлении. Колгейт уверен, что в конце концов его изобретение получит широкое распространение, поскольку оно предоставляет производителям цифровых устройств поистине неограниченные возможности.

Меняющие форму экраны

Есть еще один подход, имеющий все шансы стать сенсорной технологией будущего. В отличие от других, он отвергает саму идею плоского экрана.

Примером может служить дисплей, созданный Крисом Харрисоном и Скоттом Хадсоном из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге. Виртуальные трехмерные кнопки в буквальном смысле вылезают из гладкой поверхности устройства в нужный момент. Происходит это благодаря особым микромоторам, которые надувают полости, находящиеся под слоем латекса. В результате на ровном месте образуется клавиатура любого назначения и конфигурации. Если бы такой функцией обладали, скажем, экраны банкоматов, цифровые клавиши появлялись и исчезали бы под вашими пальцами в зависимости от того, какие опции доступны, будь то введение пин-кода или выбор снимаемой суммы.

Изобретение Харрисона и Хадсона пока не готово к коммерческому распространению. Гораздо ближе к этой стадии находится в настоящий момент аналогичная технология молодой компании Tactus Technology (Фримонт, Калифорния). В данном случае для создания рельефности используется жидкость.

Описанные версии тачскрина такого типа могут принимать только те формы, которые закладываются на этапе производства устройства. Однако в 2010 году корпорация Apple подала патентную заявку на трансформирующийся трехмерный экран, обладающий куда более широкими возможностями. По слухам, это эластичный сенсорный дисплей со встроенными «элементами изменения формы», способный вибрировать, изгибаться и деформироваться любым образом — так, как того требует компьютерная программа. Естественно, компания пока держит свое ноу-хау в секрете, однако не исключено, что со временем технология будет внедрена в линейку смартфонов iPhone. Тогда владельцы этих многофункциональных устройств смогут не только нажимать на трехмерные кнопки, но и, к примеру, собственными руками трогать топографические объекты на цифровых картах.

Таким образом, тачскрины нового поколения еще шире раздвинут рамки виртуального мира. Как показывают многочисленные исследования, осязание играет ключевую роль в том, насколько умело и эффективно человек взаимодействует с машинами. Так, люди делают больше ошибок при печатании текста, если их пальцы не чувствуют контактной обратной связи, что делает иллюзию тактильных ощущений не просто приятным, но и весьма полезным дополнением.

«Иногда нужно вспоминать то, что давно забыто, — говорит Сайл О’Модрейн, разработчик пользовательских интерфейсов из Мичиганского университета в Энн-Арбор (США). — До того как появились компьютеры, мир человека был полностью осязаемым. Мы имели возможность определять на ощупь характеристики всех предметов, которыми пользовались».

Возможно, история цифровой техники вплоть до начала XXI века покажется будущим поколениям темным временем — так сказать, периодом сенсорного дефицита. И когда виртуальная реальность покажет все многообразие своих текстур и форм, уже будет трудно представить, как можно было так долго довольствоваться прикосновениями к гладкому стеклу.

Впервые опубликовано в New Scientist Ru (www.newscientist.ru)