PowerHap von TDK macht AR/VR-Erlebnisse immersiver

Augmented und Virtual Reality (AR/VR) gehört zu den großen Zukunftsvisionen. Sie eröffnet Konsumenten und professionellen Anwendern völlig neue Erlebnisräume. Viele dieser Systeme konzentrieren sich jedoch ausschließlich auf die visuelle Dimension. Mit taktilem Feedback wird AR/VR immersiver, da auch andere Sinneseindrücke angesprochen werden. TDKs piezokeramische Vielschicht-Aktuatoren der Serie PowerHap können Oberflächentexturen präzise wiedergeben, wie der TouchDIVER von WEART eindrucksvoll beweist.

Was, wenn Beschäftigte unter realistischen Bedingungen an Anlagen üben könnten, die noch gar nicht installiert sind, oder in einer Gefahrenzone, ohne dass ein wahres Sicherheitsrisiko besteht? Was, wenn ein Arzt eine komplizierte Operation realitätsnah üben könnte, bevor er sie am eigentlichen Patienten durchführt? Was, wenn Autodesigner ihr neues Modell anfassen und begutachten könnten, bevor sie einen physischen Prototyp bauen?

Bei solchen Herausforderungen braucht es mehr als nur die visuelle Dimension. Haptisches Feedback muss hinzukommen. Das hilft dem Personal, sich im Umgang mit neuen Geräten oder in riskanten Situationen sicherer zu fühlen. Ärzte gewinnen Sicherheit, Patienten fühlen sich bei gut vorbereiteten Chirurgen besser aufgehoben. Und Autodesigner können ihre Modelle optimieren, ohne einen oder mehrere teure physische Prototypen bauen zu müssen. Drei Beispiele von vielen, wie AR/VR durch haptisches Feedback natürlicher und immersiver wird.

Die Finger vereinen mindestens drei Arten von taktilen Reizen. Erstens nehmen sie einen Druck auf die Haut wahr, wenn sie einen Gegenstand umfassen. Dieser Druck ist unterschiedlich, je nachdem, ob dieser Gegenstand hart ist oder weich wie ein Donut. Zweitens können die Fingerspitzen zwischen Oberflächenstrukturen unterscheiden, zum Beispiel, ob es sich um Wildleder oder eine glatte Oberfläche handelt. Und drittens sind die Fingerspitzen temperaturempfindlich. Das bedeutet, dass Menschen einen Gegenstand aus Metall mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit von einem aus Kunststoff unterscheiden können, auch wenn die Abmessungen identisch sind. Um das Erlebnis immersiv zu gestalten, muss die Rückkopplungsschleife zum visuellen System geschlossen werden. Dazu müssen die Bewegungen der Finger im virtuellen Raum verfolgt und zurückgemeldet werden.

Mehr als ein Jahrzehnt Forschung

Die Herausforderung besteht darin, ein leichtgewichtiges System zu entwickeln, das taktile Wahrnehmungen in Echtzeit mit dem visuellen System vereint. WEART, ein italienisches Unternehmen, hat den TouchDIVER entwickelt, einen haptischen Handschuh, der eine realistische Interaktion in VR, AR und MR (Mixed Reality) ermöglicht. Der Handschuh bietet ein umfassendes haptisches Feedback wie Druck-, Textur- und Temperaturempfinden. Dadurch ermöglicht er eine natürliche Interaktion mit virtuellen Objekten und Umgebungen. Dazu ist der Handschuh mit präzisen Sensoren ausgestattet, um Hand- und Fingerbewegungen zu verfolgen. Eines der Schlüsselelemente des Handschuhs ist PowerHap von TDK. Diese mehrschichtigen Piezokeramik-Aktuatoren geben Oberflächentexturen naturgetreu wieder.

Die Gründung von WEART geht auf das EU-Forschungsprojekt WEARHAP (WEARable HAPtics for Humans and Robots) zurück, das 2013 startete und von der Universität Siena koordiniert wurde. Dort lernten sich Guido Gioioso und Giovanni Spagnoletti während ihrer Promotion im Labor für Robotik und Automatisierung, das von Professor Domenico Prattichizzo geleitet wird, kennen. Im Jahr 2018 gründeten die drei schließlich gemeinsam mit dem Engineering- und Industriepartner e-Novia das Unternehmen.

Der Haptikhandschuh TouchDIVER verfügt über Kontaktpunkte an drei Fingern. Grundlage dafür ist die neurowissenschaftliche Erkenntnis, wonach Daumen sowie Zeige- und Mittelfinger für die Stabilität und das Handling entscheidend sind (Abb. 1). Dies erhöht den Tragekomfort und begrenzt die Kosten, ohne die Leistungsfähigkeit zu schmälern.

Abbildung 1:

Der haptische Handschuh TouchDIVER verfügt über drei Berührungspunkte an den Fingern, die den Tragekomfort und die Kosten bei gleichbleibend hoher Leistungsfähigkeit vereinfachen. (Quelle: WEART)

Es gibt eine kabelgebundene Version für den Dauereinsatz und eine kabellose Version, die über Bluetooth Low Energy (BLE) verbunden wird und mit einer Akkuladung 40 bis 60 Minuten durchhält. Der VR-Handschuh enthält ein SDK (Software Development Kit) für die Integration mit den wichtigsten Entwicklungsplattformen, um ein einheitliches Tracking auf allen Plattformen zu gewährleisten.

Drei taktile Sinne kombiniert

Um Anpresskräfte zu emulieren, nutzt TouchDIVER Servomotoren, die den vorgeschriebenen Druck auf die Fingerspitzen des Nutzers ausüben und so das gewünschte taktile Gefühl erzeugen. Das System kann kutane Belastungen von bis zu 5 N mit einer Genauigkeit von 0,02 N wiedergeben. Dadurch können die Nutzerinnen und Nutzer die unterschiedlichen Festigkeiten virtueller Objekte wahrnehmen und dreidimensionale Oberflächenformen ertasten. Dazu gehört auch die Wiedergabe von Unebenheiten auf welligen Oberflächen. Content-Entwickler müssen keine Experten für Biomechanik sein, denn das SDK ermittelt die anzuwendende Kraft automatisch.

Thermische Rückkopplung bereichert die Extended Reality-Erfahrungen, indem sie wirklichkeitsgetreue Wärme- und Kälteempfindungen vermittelt und das Eintauchen in die virtuelle Welt durch die Nachbildung temperaturbedingter Reize auf der Haut des Nutzers noch verstärkt. Wie intensiv diese Empfindungen sind, hängt von den verwendeten virtuellen Materialien ab. TouchDIVER deckt einen Temperaturbereich von +15 °C bis +42 °C mit einer Auflösung von 0,1 °C und schnellen Reaktionszeiten ab. Dies ist von unschätzbarem Wert für Sicherheitstrainings und industrielle Anwendungen, bei denen eine präzise thermische Rückmeldung wichtig ist. Es verbessert auch die Identifizierung von Materialien, indem es Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit nachbildet – zum Beispiel, dass sich Metall aufgrund seiner unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit kühler anfühlt als Holz.

Durch die feine Steuerung der Vibrationen mit dem piezoelektrischen PowerHap-Aktuator von TDK kann TouchDIVER Oberflächenstrukturen auf höchstem Niveau wiedergeben. Er wandelt elektrische Signale mit bemerkenswerter Schnelligkeit und Genauigkeit in mechanische Bewegungen um, indem er die Geschwindigkeit und Bewegung der Hand des Nutzers in Echtzeit verfolgt. Um derart realistische Ergebnisse zu erzielen, hat WEART eine umfangreiche taktile Bibliothek entwickelt, die im SDK enthalten ist und mehr als 20 verschiedene Materialien enthält, mit denen Entwickler zahllose Rauheitsvariationen mit nur drei Parametern erstellen können.

Auf PowerHap wurde das WEART Team auf der AsiaHaptics 2018 Konferenz in Songdo, Südkorea, aufmerksam, wo Dr. Andreas Pentscher-Stani von TDK einen Vortrag dazu hielt. Besonders wichtig waren dabei die Auflösung, die Schwingungsamplitude und die Bandbreite des Aktors. Diese Merkmale sind entscheidend, um die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit verschiedener Materialien zu erfüllen. Außerdem ist die Fähigkeit des PowerHap, selbst unter Belastung von bis zu 5 N eine große Amplitude zu erzeugen, ein entscheidender Faktor. Dieses Merkmal spielt eine entscheidende Rolle bei der technologischen Weiterentwicklung von WEART, denn es ermöglicht das Stacking und die Wiedergabe von drei verschiedenen taktilen Empfindungen auf derselben Hautpartie.

Aus mehreren entscheidenden Gründen ist der Aktuator die ideale Wahl. Erstens sorgt seine große Bandbreite dafür, dass er unterschiedliche Materialrauhigkeiten genau wiedergeben kann. Außerdem passen die Abmessungen des PowerHap optimal zum Bereich der Fingerspitze, sodass er kompatibel ist und sich optimal in die Mechanik integrieren lässt. Die spezifizierte Dicke trägt entscheidend dazu bei, die mechanische Synergie optimal zu nutzen.

Knackige Vibrationen mit PowerHap

Abbildung 2:

PowerHap verwendet beidseitig Becken/Bögen, um die durch den Piezoeffekt verursachte Kontraktion um den Faktor 15 entlang der Z-Achse zu verstärken. So lässt sich ein breiteres Spektrum an haptischem Feedback erzeugen als mit herkömmlichen Lösungen wie exzentrischen Drehmotoren und linearen Resonanzaktoren zwischen 1 Hz und 1000 Hz. (Quelle: TDK Electronics AG)

PowerHap basiert auf mehrschichtigen Piezo-Scheiben mit migrationsfreien Kupfer-Innenelektroden, die sich je nach Design mit relativ niedrigen Betriebsspannungen in einem Bereich von 0 V bis 120 V ansteuern lassen. Die Komponenten verwenden beidseitig Becken/Bögen, um die durch den Piezo-Effekt verursachte Kontraktion um den Faktor 15 entlang der z-Richtung zu verstärken (Abb. 2).

PowerHap kann ein breiteres Spektrum an haptischem Feedback erzeugen als herkömmliche Lösungen wie exzentrische Rotationsmotoren (ERMs) und lineare Resonanzaktoren (LRAs). Das System kann den gesamten Stimulationsbereich zwischen 1 Hz und 1000 Hz abdecken und dadurch haptische Rückmeldung für die wichtigsten menschlichen Sinneszellen (Mechanorezeptoren) individueller und klarer gestalten.

PowerHap 1919 beispielsweise erreicht eine hohe Beschleunigung der Becken/Bögen von bis zu 16,0 g bei einer Lastmasse von 500 g und bis zu 52 g bei einer Lastmasse von 100 g. Gleichzeitig erzeugt sie eine hohe Kraft von bis zu 20 N bei einer geringen Bauhöhe und Ansprechzeiten von weniger als 1 ms. Es gibt keine nennenswerten Frequenz- oder Amplitudenbeschränkungen für diese Technologie, weshalb sie eine vielseitige und effektive Lösung für verschiedene Anwendungen darstellt.

Weitere haptische Anwendungen mit PowerHap

PowerHap ist ein leistungsstarker haptischer Aktuator für besonders anspruchsvolle und trendige Anwendungen, die eine hohe Beschleunigung mit einer hohen Frequenzbandbreite bei kompakten Abmessungen und relativ geringem Energiebedarf erfordern. Mit PowerHap können Designer u.a. Tasten, Baugruppen, Fahrzeugsysteme (Haptic Display/Lenkrad/Trackpad), VR, Smartphones (Solid State Button), Gaming (Controller/Ring/Wristband) oder medizinische Geräte und Stylus entwickeln.

Fazit

Taktile Rückmeldung hebt AR/VR auf die nächste Ebene. Zusammen mit dem PowerHap von TDK macht der TouchDIVER Haptikhandschuh von WEART AR/VR-Anwendungen wie industrielle und medizinische Schulungen, virtuelles Prototyping und virtuelle Showrooms natürlicher und immersiver.