Tendencias Científicas
Alambre SMA
Un “display” táctil es el equivalente a un “display” visual donde el sentido que recibe la información es el del tacto. En un entorno cada vez más invadido por las nuevas tecnologías, al ciudadano común no le resulta extraño el término píxel para denominar a cada uno de los puntos que forman la imagen que podemos ver, por ejemplo, en el monitor de nuestro ordenador.
El equivalente al píxel en una imagen táctil es el táctel. Evidentemente este táctel debe ser capaz de ser interpretado por el sentido del tacto. En su versión más sencilla, será un elemento capaz de cambiar su forma, y aparecer como un bultito cuando un dedo explora la superficie del display. Muchos de estos táctels o bultitos formarán líneas y figuras para el sentido del tacto, como los píxeles las forman en la pantalla de nuestro ordenador.
Los displays táctiles son de interés en muchas áreas. Tradicionalmente son importantes como herramientas para el acceso a la información de personas ciegas. Más recientemente se estudian para su empleo en áreas como la realidad virtual o la telecirugía.
Así, de la misma manera que se simulan escenarios que el usuario ve a través de unas gafas de realidad virtual, también se pueden simular sensaciones táctiles como la textura de una superficie virtual o una caricia.
También los médicos pueden usar estos dispositivos para poder “tocar” en el interior de los pacientes sin necesidad de hacer grandes cortes, simplemente introduciendo una sonda que transmitirá las sensaciones del tacto a un display manejado por el doctor. Esta técnica puede ser muy útil para detectar tumores escondidos en los tejidos.
Modelos de displays
Según sea su destino final, el display táctil puede ser más o menos grande. Así, el display ligado al dedo del doctor en el párrafo anterior no necesita ser grande, del tamaño de la superficie de un dedo únicamente. Un sistema de realidad virtual puede necesitar sin embargo displays mayores, en forma de guantes por ejemplo.
En cuanto a aquellos destinados a personas ciegas, los más corrientes están formados por una línea que es el equivalente a una línea de texto, por ejemplo de este artículo. Así, un ordenador puede traducir este artículo al Braille, y se puede mostrar línea a línea al ciego.
Evidentemente, este sistema funciona si se quiere mostrar información de texto, pero es muy limitado si se quieren mostrar gráficos o caracteres complejos, como los que existen en las ecuaciones matemáticas.
Para ser eficaces en la transmisión de información gráfica o con caracteres complejos o poco corrientes debemos construir un display grande, equivalente a la pantalla del ordenador, que pueda ser explorado por las manos del invidente.
Problemas técnico-científicos
Aquí aparecen diversos problemas de naturaleza técnica y científica, ya que no es fácil fabricar una matriz densa de elementos que implementen los táctels. La razón es que éstos deben ser pequeños para tener imágenes táctiles de una resolución suficiente, y al mismo tiempo ser capaces de ejercer una fuerza para estimular la piel.
Los elementos que existen comercialmente para esto, con sus limitaciones, tienen el inconveniente de ser muy caros. Por ejemplo, una pantalla formada por 119 por 59 táctels (DMD 12060 de Metec) cuesta alrededor de 60000€. Un display táctil de una sola línea de texto cuesta en torno a 10000€.
En el primer caso, cada táctel está hecho con un pequeño solenoide, es decir una pequeña bobina que crea un campo magnético capaz de mover un núcleo en su interior. En el segundo caso, cada táctel está hecho con un material piezoeléctrico que cambia de forma cuando se introduce en un campo eléctrico.
Una estrategia para evitar este problema es construir una pantalla virtual. Esto se hace colocando un pequeño display, por ejemplo del tamaño de un dedo, sobre un dispositivo puntero, por ejemplo un ratón de ordenador. El dedo descansa sobre el display y el usuario mueve el ratón con la intención de explorar una imagen.
Esta imagen se construye porque el ordenador cambia la información que muestra el display si el usuario mueve el dispositivo con la mano, creando la ilusión de una pantalla completa. El sistema VirtTouch implementa esta estrategia y cuesta sobre 5000€. El inconveniente de estos sistemas es que los dedos permanecen quietos con respecto al display, y se pierden fuentes de información que tienen su origen en el roce de la piel con la superficie del mismo.
Displays económicos
Debe pues investigarse en mecanismos para reproducir la sensación del tacto de la manera más fiel posible, y un frente abierto es el de conseguir dispositivos más baratos que permitan construir displays grandes a un coste reducido.
Así, muchos científicos trabajan en dispositivos basados en materiales que cambian de forma cuando se calientan, como los alambres SMA (Shape Memory Alloy), o en geles o líquidos que cambian de consistencia o volumen cuando se meten en un campo eléctrico, o bien tratan de estimular con pequeñas corrientes eléctricas, o se utilizan dispositivos neumáticos, que inyectan aire u otro fluido para crear el bultito que percibe el tacto.
Las válvulas que controlan los circuitos neumáticos pueden estar hechas con tecnologías de micromáquinas (MEMS), cercanas a la utilizada para los chips de nuestros ordenadores.
Estas tecnologías avanzadas permiten también construir pequeñas válvulas o bombas neumáticas para su uso en medicina por ejemplo. Algunos de estos dispositivos se basan en elementos termoneumáticos. En ellos no se inyecta un fluido a presión para deformar una membrana.
En su lugar, se introduce un líquido en una cavidad cerrada y se aumenta la temperatura. La dilatación del líquido puede ser suficiente, pero algunos de estos elementos calientan hasta que el líquido cambia de fase (“hierve”), y el gas que aparece como consecuencia eleva la presión dentro de la cavidad cerrada hasta que se deforma una pared flexible.
Dispositivos eficientes
Estos dispositivos son muy eficientes en términos de fuerza ejercida y deformación conseguida. Por lo tanto, ¿por qué no utilizarlos para construir un display táctil?
Esta es la propuesta del autor de este artículo. Junto con el profesor Rafael Navas de la universidad de Málaga se ha construido un display de prueba que está formado por pequeños tubos de cobre. Los tubos están cerrados con estaño por un extremo, al que se ha soldado un diodo que se calienta cuando hacemos circular una corriente grande por él.
Después de llenar los tubos con acetona (“hierve” a 56.2ºC), el otro extremo de los mismos se cierra con una membrana flexible. Así, cuando hacemos circular corriente por el diodo, la temperatura aumenta, aparece gas en el interior del tubo y se eleva la presión, deformándose la membrana y creando por tanto el bultito que puede percibirse con el tacto.
La idea es atractiva por su aparente sencillez, y por el bajo precio que podría suponer para un display grande. El hecho de que los dispositivos termoneumáticos hayan sido implementados ya en tecnologías avanzadas como las MEMS es asimismo un indicio del interés de esta propuesta, ya que anuncia la posibilidad de añadir circuitería cercana al táctel y mejorar la resolución, consiguiendo displays más “inteligentes” y eficientes en su propósito de estimular el sentido del tacto.
Obstáculos a superar
La perspectiva de buenos resultados no está sin embargo libre de obstáculos, ya que muchos problemas deben resolverse antes de obtenerlos.
En primer lugar, el trabajo de investigación y desarrollo en este campo tan interdisciplinar implica la colaboración de profesionales que puedan mejorar aspectos como las propiedades del líquido que se introduce dentro del actuador termoneumático, las membranas flexibles, la forma de los actuadores, el sellado, el rendimiento energético, la velocidad de activación, la resolución del display, etc.
Esta situación es común a la que se encuentra en el mundo de los microsistemas, ya que al incluir sensores, circuitería y actuadores se necesita un conocimiento muy amplio para abordar su diseño. Al contrario que en el caso de los circuitos integrados, donde el fabricante proporciona modelos de dispositivos y el usuario utiliza refinadas herramientas de simulación para diseñar, ahora hace falta una interacción mayor entre el diseñador y el fabricante ya que los modelos deben adaptarse o hacerse para nuestro sistema particular.
Los resultados de los dispositivos preliminares y la conciencia cada vez mayor de esta necesidad de trabajar en un mundo interdisciplinar, nos animan a superar los retos y esperamos alcanzar objetivos cada vez más ambiciosos en los próximos años que poder contar a los lectores de tendencias21.
Fernando Vidal Verdú es doctor en Informática y Profesor Titular de la Universidad de Málaga.
Temas relacionados:
Recursos en el mercado
Centro de Investigación, Desarrollo y Aplicación Tiflotécnica
Refreshable Braille Now and in the Years Ahead
Refreshable braille displays
Innovative Mouse Lets Visually Impaired 'Feel' the Web
Investigación
Teletaction System
Tactile Displays Realized Using MEMS Actuator Arrays
Tactile Display Research Group
NYT: Restoring the Human Touch to Remote-Controlled Surgery
LSR Project Group on
Multimodal Telepresence und Teleaction
Current Research on Smart Materials
Research projects
Tactile Communication System
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Los displays táctiles son de interés en muchas áreas. Tradicionalmente son importantes como herramientas para el acceso a la información de personas ciegas. Más recientemente se estudian para su empleo en áreas como la realidad virtual o la telecirugía.
Así, de la misma manera que se simulan escenarios que el usuario ve a través de unas gafas de realidad virtual, también se pueden simular sensaciones táctiles como la textura de una superficie virtual o una caricia.
También los médicos pueden usar estos dispositivos para poder “tocar” en el interior de los pacientes sin necesidad de hacer grandes cortes, simplemente introduciendo una sonda que transmitirá las sensaciones del tacto a un display manejado por el doctor. Esta técnica puede ser muy útil para detectar tumores escondidos en los tejidos.
Modelos de displays
Según sea su destino final, el display táctil puede ser más o menos grande. Así, el display ligado al dedo del doctor en el párrafo anterior no necesita ser grande, del tamaño de la superficie de un dedo únicamente. Un sistema de realidad virtual puede necesitar sin embargo displays mayores, en forma de guantes por ejemplo.
En cuanto a aquellos destinados a personas ciegas, los más corrientes están formados por una línea que es el equivalente a una línea de texto, por ejemplo de este artículo. Así, un ordenador puede traducir este artículo al Braille, y se puede mostrar línea a línea al ciego.
Evidentemente, este sistema funciona si se quiere mostrar información de texto, pero es muy limitado si se quieren mostrar gráficos o caracteres complejos, como los que existen en las ecuaciones matemáticas.
Para ser eficaces en la transmisión de información gráfica o con caracteres complejos o poco corrientes debemos construir un display grande, equivalente a la pantalla del ordenador, que pueda ser explorado por las manos del invidente.
Problemas técnico-científicos
Aquí aparecen diversos problemas de naturaleza técnica y científica, ya que no es fácil fabricar una matriz densa de elementos que implementen los táctels. La razón es que éstos deben ser pequeños para tener imágenes táctiles de una resolución suficiente, y al mismo tiempo ser capaces de ejercer una fuerza para estimular la piel.
Los elementos que existen comercialmente para esto, con sus limitaciones, tienen el inconveniente de ser muy caros. Por ejemplo, una pantalla formada por 119 por 59 táctels (DMD 12060 de Metec) cuesta alrededor de 60000€. Un display táctil de una sola línea de texto cuesta en torno a 10000€.
En el primer caso, cada táctel está hecho con un pequeño solenoide, es decir una pequeña bobina que crea un campo magnético capaz de mover un núcleo en su interior. En el segundo caso, cada táctel está hecho con un material piezoeléctrico que cambia de forma cuando se introduce en un campo eléctrico.
Una estrategia para evitar este problema es construir una pantalla virtual. Esto se hace colocando un pequeño display, por ejemplo del tamaño de un dedo, sobre un dispositivo puntero, por ejemplo un ratón de ordenador. El dedo descansa sobre el display y el usuario mueve el ratón con la intención de explorar una imagen.
Esta imagen se construye porque el ordenador cambia la información que muestra el display si el usuario mueve el dispositivo con la mano, creando la ilusión de una pantalla completa. El sistema VirtTouch implementa esta estrategia y cuesta sobre 5000€. El inconveniente de estos sistemas es que los dedos permanecen quietos con respecto al display, y se pierden fuentes de información que tienen su origen en el roce de la piel con la superficie del mismo.
Displays económicos
Debe pues investigarse en mecanismos para reproducir la sensación del tacto de la manera más fiel posible, y un frente abierto es el de conseguir dispositivos más baratos que permitan construir displays grandes a un coste reducido.
Así, muchos científicos trabajan en dispositivos basados en materiales que cambian de forma cuando se calientan, como los alambres SMA (Shape Memory Alloy), o en geles o líquidos que cambian de consistencia o volumen cuando se meten en un campo eléctrico, o bien tratan de estimular con pequeñas corrientes eléctricas, o se utilizan dispositivos neumáticos, que inyectan aire u otro fluido para crear el bultito que percibe el tacto.
Las válvulas que controlan los circuitos neumáticos pueden estar hechas con tecnologías de micromáquinas (MEMS), cercanas a la utilizada para los chips de nuestros ordenadores.
Estas tecnologías avanzadas permiten también construir pequeñas válvulas o bombas neumáticas para su uso en medicina por ejemplo. Algunos de estos dispositivos se basan en elementos termoneumáticos. En ellos no se inyecta un fluido a presión para deformar una membrana.
En su lugar, se introduce un líquido en una cavidad cerrada y se aumenta la temperatura. La dilatación del líquido puede ser suficiente, pero algunos de estos elementos calientan hasta que el líquido cambia de fase (“hierve”), y el gas que aparece como consecuencia eleva la presión dentro de la cavidad cerrada hasta que se deforma una pared flexible.
Dispositivos eficientes
Estos dispositivos son muy eficientes en términos de fuerza ejercida y deformación conseguida. Por lo tanto, ¿por qué no utilizarlos para construir un display táctil?
Esta es la propuesta del autor de este artículo. Junto con el profesor Rafael Navas de la universidad de Málaga se ha construido un display de prueba que está formado por pequeños tubos de cobre. Los tubos están cerrados con estaño por un extremo, al que se ha soldado un diodo que se calienta cuando hacemos circular una corriente grande por él.
Después de llenar los tubos con acetona (“hierve” a 56.2ºC), el otro extremo de los mismos se cierra con una membrana flexible. Así, cuando hacemos circular corriente por el diodo, la temperatura aumenta, aparece gas en el interior del tubo y se eleva la presión, deformándose la membrana y creando por tanto el bultito que puede percibirse con el tacto.
La idea es atractiva por su aparente sencillez, y por el bajo precio que podría suponer para un display grande. El hecho de que los dispositivos termoneumáticos hayan sido implementados ya en tecnologías avanzadas como las MEMS es asimismo un indicio del interés de esta propuesta, ya que anuncia la posibilidad de añadir circuitería cercana al táctel y mejorar la resolución, consiguiendo displays más “inteligentes” y eficientes en su propósito de estimular el sentido del tacto.
Obstáculos a superar
La perspectiva de buenos resultados no está sin embargo libre de obstáculos, ya que muchos problemas deben resolverse antes de obtenerlos.
En primer lugar, el trabajo de investigación y desarrollo en este campo tan interdisciplinar implica la colaboración de profesionales que puedan mejorar aspectos como las propiedades del líquido que se introduce dentro del actuador termoneumático, las membranas flexibles, la forma de los actuadores, el sellado, el rendimiento energético, la velocidad de activación, la resolución del display, etc.
Esta situación es común a la que se encuentra en el mundo de los microsistemas, ya que al incluir sensores, circuitería y actuadores se necesita un conocimiento muy amplio para abordar su diseño. Al contrario que en el caso de los circuitos integrados, donde el fabricante proporciona modelos de dispositivos y el usuario utiliza refinadas herramientas de simulación para diseñar, ahora hace falta una interacción mayor entre el diseñador y el fabricante ya que los modelos deben adaptarse o hacerse para nuestro sistema particular.
Los resultados de los dispositivos preliminares y la conciencia cada vez mayor de esta necesidad de trabajar en un mundo interdisciplinar, nos animan a superar los retos y esperamos alcanzar objetivos cada vez más ambiciosos en los próximos años que poder contar a los lectores de tendencias21.
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