Haptisch productontwerp in de praktijk

De groeiende populariteit van apparaten die gebruik maken van digitale tools en diensten motiveert meer productontwerpers om haptische technologie te integreren. Deze technologie biedt een grotere betrokkenheid van de gebruiker en een meer immersieve ervaring. Digitale interfaces met op aanraking gebaseerde sensaties voegt tactiele interactie toe en creëert aanvullende ervaringen die zien en horen aanvullen of overstijgen. Ontwerpers die haptische mogelijkheden willen benutten voor nieuwe use cases en zakelijke kansen kunnen profiteren van componenten die al voorhanden zijn.

Haptiek wordt al toegepast in veelgebruikte consumentenproducten, zoals smartphones, auto’s, verkooppunten en geldautomaten. Het wordt ook toegepast in medische apparatuur en chirurgische instrumenten, industriële en productiemachines en gebouwautomatisering.

De oorsprong van haptiek gaat terug tot 1880 toen Pierre en Jacques Curie het piëzo-elektrisch effect van een aantal materialen demonstreerden door met een mechanische kracht een kleine elektrische lading op te wekken. Het omgekeerde piëzo-elektrische effect genereert een fysieke beweging wanneer er een spanning op een materiaal wordt gezet. Dit werd gebruikt om vroege ultrasone opsporingssystemen voor onderzeeërs en radiosystemen in de lucht te ontwikkelen. Dezelfde principes zijn de basis van actuatoren en transducers die vaak worden gebruikt in kleine luidsprekers, microfoons en zelfs muzikale wenskaarten.

Door haptische mogelijkheden te combineren met virtual reality (VR), augmented reality (AR) en het Internet of Things (IoT) kan de betrokkenheid van gebruikers bij bestaande apparaten aanzienlijk worden verhoogd en de weg worden vrijgemaakt voor nieuwe toepassingen. Piëzo-elektrische haptische actuatoren voegen een realistisch tintje toe aan virtuele interacties, waarbij door middel van trillingen een natuurlijke en meeslepende respons wordt gecreëerd, bijvoorbeeld in simulatiegames zoals racen of schieten.

Haptiek kan een cruciale rol spelen in het herkennen van kritieke waarschuwingen bij zicht- of geluidbeperkende factoren. In medische settings kan haptiek bijvoorbeeld helpen om sneller te reageren op meerdere inputs, wat levensreddend kan zijn in situaties waarbij elke seconde telt voor een goede afloop.

De toekomst voelen: toepassingen en use cases

Het potentieel van haptiek wordt slechts beperkt door de visie van productontwerpers. Naarmate AR en VR aan populariteit winnen en kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning (ML) zich blijven ontwikkelen, gaat haptiek waarschijnlijk een prominente rol spelen bij het leveren van steeds meer meeslepende digitale ervaringen in diverse industrieën, waaronder:

• Medische toepassingen, waar haptiek al een rol begint te spelen bij robotchirurgie en invasieve tandheelkundige ingrepen. Hierbij wordt de tast- en gevoelservaring die artsen in de loop der jaren opdoen gerepliceerd. In combinatie met VR kan haptiek het leren van medische vaardigheden bevorderen door realistische procedures te simuleren om praktische ervaring op te doen, zoals het hanteren van een scalpel of het palperen van het hart. Haptiek kan vooruitgang bieden in de revalidatie van patiënten met invaliderend letsel, het kan mensen met een beroerte helpen bij het opnieuw aanleren van cruciale motorische vaardigheden en het kan geamputeerden de mogelijkheid bieden om de beperkingen van mechanische protheses te overwinnen.
• Toepassingen in de auto-industrie, waar haptiek bestuurders al voorziet van tactiele waarschuwingen bij het wisselen van de rijstrook en het niet goed vasthouden van het stuur. Smartwatchintegratie met navigatiesystemen kan bestuurders waarschuwen voor een naderende afslag, zodat ze niet op de kaart of hun scherm hoeven te kijken.
• Industrie en productie, waar operators van zware apparatuur en productielijnmedewerkers vaak van hun taak worden afgeleid omdat ze naar knoppen of schermen moeten kijken. Zo kunnen zij zich op hun werk blijven focussen zonder weg te kijken terwijl haptiek bevestigt dat ze de juiste keuzes hebben gemaakt. Haptiek kan in handschoenen en kleding worden verwerkt voor een nauwkeurige afstandsbediening van machines, betere nauwkeurigheid bij het verzamelen van bestellingen en feedback of waarschuwingen in potentieel gevaarlijke omgevingen.
• Detailhandel en financiële dienstverlening, omdat klanten elke dag haptiek ervaren bij kassasystemen en geldautomaten, zoals voor het bevestigen van interacties met betaalkaarten en mobiele apparaten. De combinatie van haptiek en AR/VR biedt mogelijkheden voor een rijke, online winkelervaring waarmee consumenten virtueel een fysieke winkel kunnen nabootsen.
• Consumentenelektronica, waar haptiek al volop wordt toegepast. De eerste haptische smartphone werd in 2000 op de Consumer Electronics Show geïntroduceerd en de technologie werd al snel overgenomen voor Android- en Apple-smartphones, in eerste instantie om de gebruikerservaring te verbeteren bij het gebruik van virtuele toetsenborden en schermpictogrammen. Maar haptiek had al eerder succes in de jaren ’90 door de ervaring van videogamers te verrijken met controllers en accessoires zoals stuurknuppels die tactiele feedback gaven in race- en schietspellen. Met de voortdurende evolutie van consumentenapparaten en digitale diensten, zoals fitnesstrackers en AR/VR-headsets en brillen, proberen productontwerpers nieuwe mogelijkheden te ontwikkelen die de digitale wereld net zo tastbaar maken als de fysieke.

Componenten voor succes: opties voor elke behoefte

Productontwerpers kunnen volop verkrijgbare componentportfolio’s gebruiken om haptische interfaces te maken die voldoen aan hun specificaties en toepassingsbehoeften.

De eerste stap is het begrijpen van de verschillen tussen beschikbare technologieën en hun ontwerpvereisten. Elektromechanische componenten zijn de meest gebruikte technologie voor het leveren van een haptische respons. Deze worden gewoonlijk gegroepeerd in de volgende categorieën:

• Eccentric Rotating Mass of ERM-actuatoren maken gebruik van een buiten de as roterend gewicht dat aan een gelijkstroommotor is bevestigd om trillingen op te wekken en een laagfrequente dreunsensatie te creëren (afbeelding 1). De actuator trilt met een frequentie die direct correleert met de stuurspanning van het apparaat. Omdat het even duurt nadat de spanning wordt toegepast voordat de roterende motor de gewenste snelheid heeft bereikt — of tot stilstand wordt gebracht — werken deze actuatoren het beste in toepassingen waar een merkbaar trillingseffect nodig is, maar waar precieze trilpatronen niet strikt noodzakelijk zijn. PUI Audio biedt verschillende ERM-actuatoren, waaronder de opbouw HD-EMB1104-SM-2. Deze levert sterke haptische feedback in een klein pakket van 3,4 mm bij 4,4 mm bij 11 mm. Ze zijn geschikt voor medische, auto- of industriële segmenten, consumenten- of draagbare apparaten en beveiligingsapparaten. Een andere optie is de HD-EM0602-LW15-R van PCI Audio. Dit is een borstelloze DC ERM met een betere snelheids- en koppelregeling en een langere levensduur dan geborstelde actuatoren.

Afbeelding 1: Tekening van een opengewerkte ERM-actuator. (Bron: PUI Audio)

• Lineaire Resonant Actuator of LRA-onderdelen (afbeelding 2) worden door een wisselspanning aangestuurd en produceren een trilling in twee richtingen langs één as, waardoor responsieve trilpatronen met een hoge resolutie mogelijk zijn om informatie aan de gebruiker te leveren. LRA’s creëren trillingen door het gewicht in een lineaire richting te bewegen wanneer de spoel wordt bekrachtigd met de frequentie en het voltage van het signaal dat op het component wordt toegepast, waardoor zowel de sterkte als de frequentie van de trillingen onafhankelijk kunnen worden geregeld. In tegenstelling tot ERM’s voelen gebruikers bij een met LRA uitgerust apparaat een trilling zodra de spoel wordt bekrachtigd en het gewicht omhoog of omlaag beweegt. Deze technologie is verwant aan traditionele luidsprekers waarin een spoel wordt bekrachtigd door een golfvorm, waardoor een magneet en membraan bewegen en geluidsgolven genereren. De HD-LA1307-SM van PUI Audio is een waterdichte, IP-geclassificeerde LRA voor opbouwmontage die naadloze integratie mogelijk maakt in verschillende eindtoepassingen, zoals VR-omgevingen, spelconsoles, medische simulatoren, handheld apparaten en consumenten- en industriële besturingsinterfaces.

Afbeelding 2: Tekening van een opengewerkte LRA. (Bron: PUI Audio)

• Voice Coil Motors (VCM), ook wel Voice Coil Actuators (VCA) genoemd (afbeelding 3), gebruiken dezelfde spreekspoeltechnologie als LRA’s maar lijken zelfs nog meer op een luidspreker. Een gewicht beweegt lineair, zoals in een LRA, maar deze is groter en zwaarder, waardoor een groter en realistischer trillingseffect wordt geproduceerd dan wat kan worden gerepliceerd met een LRA. De HD-VA2527 van PUI Audio is een cilindrische VCM die flexibele en complexe trileffecten biedt.

Afbeelding 3: Tekening van een opengewerkte VCA. (Bron: PUI Audio)

• Piëzo-elektrische haptische componenten, ook wel piëzo-buigactuatoren of zoemers genoemd, zijn gebaseerd op het omgekeerde piëzo-elektrische effect en bestaan uit platte lagen actief piëzo-elektrisch materiaal dat buigt en samentrekt wanneer er een spanning op wordt gezet, waardoor geluid en trillingen worden gecreëerd. Ze zijn verkrijgbaar als schijven, zoals de HD-PAB1501 van PUI Audio, en als strips, zoals de HD-PAS2507. Piëzo-buigactuatoren kunnen complexere en meer gedetailleerde signalen leveren met een ongekend gevoel van realisme, zoals het geluid van een hartslag. Deze componenten bieden een hogere verplaatsingsprecisie, een snellere reactiesnelheid, een significantere opwekkingskracht en een langere levensduur. Ze vereisen een hogere spanning dan ERM’s en LRA’s, maar ontwerpers kunnen een geïntegreerde ‘bender driver’ gebruiken om aan de spanningsvereisten van laag-voltage bronnen te voldoen.

Conclusie

Productontwerpers kunnen gebruikmaken van de uitgebreide componentportfolio’s om haptiek in hun apparaten te integreren. Ze moeten evalueren welk type trilling geschikt is voor hun ontwerp, evenals de voordelen en beperkingen van elke actuator afwegen om te voldoen aan de ontwerpspecificaties, de behoeften van de eindgebruiker en specifieke toepassingen. Met de juiste ontwerpkeuzes is het mogelijk om nieuwe producten met haptische functies te maken die nieuwe zakelijke kansen creëren.