Oberflächenhap­tik

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Die Oberflächenhaptik ist einer der Hauptanwendungsbereiche der Haptik-Technologie. Der Lehrstuhl für Akustik und Haptik verfügt über langjährige Erfahrung mit elektrodynamischen, elektrotaktilen und vibrotaktilen haptischen Aktoren. Mit diesen Aktuatoren wurden mehrere technologische Lösungen für verschiedene haptische Oberflächenanwendungen entwickelt, wie z.B. Touchscreens, Multimediasysteme, Bedienfelder in Fahrzeugen und digitale Musikschnittstellen. Ausführlichere Informationen über vibrotaktile Aktoren werden auch im Abschnitt Aktorik erläutert.

Die Haptik von Oberflächen wird zu einem der beliebtesten Themen, da die physischen Tasten verschiedener elektronischer Geräte auf dem Markt durch virtuelle Tasten und Objekte auf Bildschirmen ersetzt werden. Da eine rein visuelle Rückmeldung nicht ausreicht, um diese neue Generation von Touch-Geräten zu bedienen, wird auch eine sofortige Vibration erzeugt, um den Kunden eine Rückmeldung zu geben, wenn die Tasten auf einem Touchscreen-Panel mit programmatisch visualisierten Tasten berührt werden. Und manchmal wird diese unmittelbare Vibration genutzt, um ein deutliches Gefühl für virtuelle Objekte auf einem Bildschirm zu erzeugen. Da jedoch das visuelle und das simple Vibrationsfeedback nicht so zufriedenstellend sind wie die physischen Tasten, haben viele Untersuchungen darauf abgezielt, ein angemessenes taktiles Feedback auf Touch-Displays zu verbessern. Die bekanntesten Ideen dazu basieren auf der Modulation der Reibungskraft und der Simulation der induzierten Vibration zwischen einem Finger und einer Oberfläche. Es gibt grundsätzlich zwei Methoden zur Modulation der Reibungskraft, nämlich Ultraschallvibrationen und Elektrovibrationen. Bei der Elektrovibrationsmethode wird der Reibungskoeffizient durch elektrostatische Anziehungskraft erhöht, während er bei der Ultraschallvibrationsmethode durch die Erzeugung eines Luftfilms zwischen einem Finger und einer Oberfläche verringert werden kann. Um die induzierten Vibrationen auf einer haptischen Oberfläche zu simulieren, können neben den Techniken zur Reibungsmodulation auch vibrotaktile Verfahren eingesetzt werden.

Eine wichtige Arbeit, "Electrotactile Feedback for Handheld Devices with Touch Screen and Simulation of Roughness", wurde 2012 von den Mitgliedern des Lehrstuhls veröffentlicht. Das Bild aus dieser Arbeit zeigt, dass taktile Informationen an die Fingerspitze des Benutzers übermittelt werden, indem kleine Ströme durch Elektroden übertragen werden. Ein spezieller Transkonduktanzverstärker hält den Strom stabil, unabhängig von der Feuchtigkeit der Haut. Ein elektrotaktiles Anzeigesystem, das aus zwei Schichten besteht, wurde zur Verstärkung der taktilen Empfindungen eingesetzt. Die erste Schicht ist eine optisch transparente Elektrode, die auf dem Touchscreen (d. h. der Vorderseite eines Handheld-Geräts) angebracht wird. Die zweite Elektrode ist ein elektrisch leitfähiges Teil oder eine Beschichtung, bei der es sich um die Metallrückseite des Geräts handeln kann. Auch das unten gezeigte Bild stammt aus der Doktorarbeit von Prof. Ercan Altinsoy. Seine Dissertation befasst sich mit der auditiv-taktilen Simulation von Objekten in einer virtuellen Umgebung.

Perceptual Substitution

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Ein weiteres Forschungsthema zur Texturwiedergabe, "Perceptual Substitution-based Haptic Texture Rendering for Narrow-Band Reproduction", wurde ebenfalls erfolgreich umgesetzt. Diese Arbeit wurde von den Editoren der IEEE Transaction of Haptics Journal für bemerkenswert und originell befunden und im März 2023 (externer Link)veröffentlicht  (externer Link). Diese Arbeit bietet ein einfaches und plausibles Wahrnehmungsmodell für die Wiedergabe von Texturen auf mobilen Touch-Geräten, wenn man die begrenzten Möglichkeiten kleiner haptischer Aktoren in kommerziellen mobilen Geräten berücksichtigt. Der Grund dafür ist, dass eine genaue Reproduktion von aufgezeichneten Texturvibrationen für weit verbreitete haptische Wiedergabesysteme auf mobilen Geräten oft nicht möglich ist. In der Regel können haptische Aktuatoren nur Schwingungen mit geringer Bandbreite wiedergeben. Abgesehen von den Forschungsaufbauten müssen Wiedergabestrategien entwickelt werden, die die begrenzten Möglichkeiten verschiedener Aktuatorsysteme und taktiler Rezeptoren nutzen und gleichzeitig die wahrgenommene Qualität der Wiedergabe möglichst wenig beeinträchtigen. Gemäß der Experimente kann die schmalbandigste Vibration mit Frequenzen zwischen 90 Hz und 400 Hz feinen Texturen zugeordnet werden. Außerdem wird festgestellt, dass amplitudenmodulierte Schwingungen eher geeignet sind, um grobe Texturen zu reproduzieren. Um die Rendering-Parameter im Detail zu sehen, kann die oben genannte Forschungsarbeit eingesehen werden.

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