Hay una gran motivación para desarrollar tecnologías de visualización táctil capaces de producir simultáneamente sensaciones de blandura y temperatura. Un dispositivo así podría simular las propiedades térmicas de las enfermedades vasculares en la formación médica o la distinta rigidez y emisividad térmica de diversos materiales en una simulación de realidad virtual. Este trabajo presenta una superficie multimodal que integra el atascamiento de partículas por constricción con una piel térmica fluídica. Sus contribuciones incluyen demostrar cómo el atascamiento sin bomba puede integrar tecnologías que, de otro modo, serían incompatibles; un diseño mecánico que optimiza la transferencia térmica sin comprometer la deformabilidad del sistema de atascamiento; y una caracterización experimental del rendimiento del dispositivo.
Interfaz de temperatura
La retroalimentación térmica se proporciona mediante una fina piel de silicona fijada a la superficie superior del contenedor de atascamiento. Los canales que conducen el líquido por la piel se moldean con Smooth-On Dragon Skin 10 FAST y se unen a una superficie de contacto hecha de un compuesto de Dragon Skin 10 FAST y polvo de cobre, con un tamaño de malla de 325 μm y una proporción en masa de 60:40. La capa de compuesto de cobre proporciona una interfaz térmicamente conductora entre los canales adyacentes, el líquido con temperatura controlada y el dedo del usuario. La silicona pura aísla la gran masa térmica del fluido particulado.
Rendimiento y caracterización
El rendimiento del dispositivo se caracterizó en función del rango de cambio de blandura alcanzable y del rango y la estabilidad de la temperatura superficial.
Blandura
Se analizó la rigidez de la pantalla en función del par motor, mediante un control de corriente en lazo cerrado. El par se varió de 0 a 2 Nm en incrementos de 0.2 Nm.
Temperatura
El rendimiento en lazo cerrado se evaluó ordenando a la pantalla alcanzar y mantener una temperatura de consigna moderada. Se midió el tiempo necesario para alcanzar la temperatura, así como el error máximo una vez alcanzada la consigna. Todas las mediciones se realizaron con el sistema descrito anteriormente.
Respuesta térmica
Para evaluar el rendimiento en lazo cerrado, se calentó la pantalla hasta aproximadamente 33°C y luego se estableció una consigna de 15°C. Se tardó 12 minutos en alcanzar la consigna, con un cambio de temperatura promedio de 1.5°C por minuto. Tras alcanzar la consigna, la temperatura medida se mantuvo dentro de ±0.2°C de dicho valor durante 15 minutos.
Durante todas las pruebas, se observó una latencia de 30 segundos entre el envío de una orden a la pantalla y la respuesta de calentamiento o enfriamiento esperada.
Análisis
El prototipo demostró un buen rango de rigidez alcanzable, aunque la rigidez inicial al contacto era más susceptible a la baja rigidez superficial de la piel térmica. La rigidez también se podía controlar con gran precisión, con respuestas consistentes al par en el rango de 0–1 Nm. La histéresis fue inicialmente alta porque la elasticidad de la piel térmica podía acumular energía potencial al presionarla contra el sustrato de atascamiento más blando, pero disminuyó rápidamente y se mantuvo constante a partir de entonces. Esto tendría un efecto perceptible en la sensación táctil.
La uniformidad térmica de la superficie fue, en general, muy buena, con pocos indicios de que el agua perdiera energía al circular por la piel térmica. La temperatura también fue bastante uniforme por encima y entre los canales, lo que indica que el compuesto de cobre y silicona distribuía eficazmente la energía térmica. Las termografías externas indicaron que el aislamiento entre la capa térmica y el sustrato de atascamiento era eficaz, lo que sugiere que el diseño de materiales podría concentrar la transferencia de calor en la pantalla.
La evaluación preliminar del control en lazo cerrado mostró desviaciones inferiores a un grado, típicamente de ±0.2°C. Se requieren pruebas más exhaustivas para validar este rendimiento de forma robusta. No se evaluó la recuperación tras una perturbación. La respuesta dinámica fue algo débil, dada la latencia de 30 segundos en el cambio de temperatura. Esto probablemente se debe a la baja inercia térmica del módulo Peltier y del sistema de fluidos, que a su vez tiene una masa térmica relativamente alta.
Las aplicaciones que requieran cambios más rápidos entre calor y frío podrían beneficiarse de suministros independientes de agua caliente y fría, bombeando agua caliente o fría según la temperatura objetivo. El sistema presentado es adecuado para la investigación perceptiva y la simulación médica, ámbitos en los que normalmente no se requieren cambios rápidos de temperatura.
Trabajo futuro
En futuros trabajos se estudiarán las ventajas de reducir el área de visualización para aumentar la velocidad de respuesta. La respuesta dinámica se mejorará reduciendo el tamaño de la pantalla y optimizando el control de la temperatura del líquido.
La investigación científica aplicará la interfaz a desafíos conocidos en la creación de experiencias multisensoriales e investigará correspondencias intermodales relacionadas tanto con la blandura como con la temperatura. Estas experiencias incluyen la simulación médica, donde la blandura y la temperatura (calor o frío) son indicadores importantes de infección, malignidad y enfermedad vascular, así como experiencias hápticas afectivas que se benefician de la blandura y el calor.
En investigaciones posteriores se estudiará la percepción intermodal en las interacciones hápticas, incluido el reconocimiento de materiales por su deformabilidad y conductividad térmica, así como las interacciones entre blandura, temperatura y peso: una variación de la ilusión de Weber.
Conclusión
Este trabajo demuestra que el atascamiento de partículas puede servir de base para interfaces táctiles multimodales que combinan tecnologías que, de otro modo, serían incompatibles, a fin de producir simultáneamente varias sensaciones distintas. Esto se demuestra al combinar blandura y cambios de temperatura en un dispositivo háptico de sobremesa. En futuras investigaciones se buscará mejorar el rendimiento dinámico y aprovechar esta capacidad para explorar las características perceptivas y las áreas de aplicación de estas interacciones hápticas intermodales.
Este trabajo recibió el apoyo del Imperial College-MIT Global Seed Fund y EPSRC pro2 Network+, número de subvención EP/W020564/1. J. Brown recibió el apoyo del Imperial College Digital Innovation Fund.
Preguntas frecuentes
¿Cómo produce el dispositivo sensaciones de blandura y temperatura al mismo tiempo? Combina el atascamiento de partículas por constricción con una piel térmica fluídica fijada al contenedor de atascamiento.
¿Qué material ayuda a distribuir el calor por la superficie de contacto? Una capa de compuesto de cobre y silicona proporciona una interfaz térmicamente conductora entre los canales de fluido y el dedo del usuario.
¿Con qué rapidez puede cambiar la temperatura de la pantalla? En la prueba descrita, tardó 12 minutos en enfriarse desde aproximadamente 33°C hasta una consigna de 15°C; se observó una latencia de 30 segundos entre las órdenes y la respuesta esperada.
¿Qué aplicaciones podrían utilizar esta interfaz multimodal? El artículo señala la simulación médica y la investigación perceptiva, incluidas experiencias relacionadas con enfermedades vasculares, el reconocimiento de materiales y la háptica afectiva.