Le toucher au service de la réalité virtuelle.
Des chercheurs ont mis au point un système de rendu tactile portable capable d’imiter le sens du toucher avec une haute résolution spatiale et un taux de réponse rapide.
Le système de l’équipe de recherche collaborative – codirigée par la City University of Hong Kong (CityU) et le Robotics X Laboratory de la société technologique chinoise Tencent – vise à ajouter le sens du toucher au métavers pour l’utiliser dans les achats et les jeux en réalité virtuelle, et potentiellement pour faciliter le travail des astronautes et d’autres professions qui nécessitent l’utilisation de gants épais.
« Nous pouvons entendre et voir nos familles sur une longue distance grâce aux téléphones et aux caméras, mais nous ne pouvons toujours pas les sentir ou les étreindre. Nous sommes physiquement isolés par l’espace et le temps, surtout pendant cette pandémie de longue durée », a déclaré le Dr Yang Zhengbao, professeur associé au département d’ingénierie mécanique de la CityU. « Bien que de grands progrès aient été réalisés dans le développement de capteurs qui capturent numériquement les caractéristiques tactiles avec une haute résolution et une haute sensibilité, nous manquons toujours d’un système capable de virtualiser efficacement le sens du toucher et d’enregistrer et de reproduire les sensations tactiles dans l’espace et le temps. »
Les techniques existantes de reproduction des stimuli tactiles – stimulation mécanique et électrique – sont soit encombrantes, ce qui limite la résolution spatiale lorsqu’elles sont intégrées dans un dispositif portable ou vestimentaire, soit fondées sur des impulsions de courant continu (CC) à haute tension (jusqu’à des centaines de volts).
En revanche, ce dernier actionneur électro-tactile est très fin et flexible, et peut être facilement intégré dans un lit de doigt. Le dispositif portable au bout du doigt affiche différentes sensations tactiles en haute fidélité (par exemple, la pression, les vibrations et la rugosité de la texture). En outre, une stratégie de stimulation par courant alternatif à haute fréquence et une tension plus faible, inférieure à 30 V, remplacent les impulsions en courant continu.
« Notre nouveau système peut provoquer des stimuli tactiles avec une haute résolution spatiale (76 points/cm2), similaire à la densité des récepteurs correspondants dans la peau humaine, et un taux de réponse rapide (4 kHz) », a déclaré Lin Weikang, un étudiant en doctorat de la CityU qui a fabriqué et testé le dispositif.
L’équipe a également proposé une nouvelle stratégie braille qui décompose l’alphabet et les chiffres en traits individuels ordonnés de la même manière qu’ils sont écrits.
« Cette stratégie serait particulièrement utile pour les personnes qui perdent la vue à un stade avancé de leur vie, car elle leur permettrait de continuer à lire et à écrire en utilisant le même système alphabétique que celui auquel elles sont habituées, sans avoir à apprendre tout le système de points braille », a déclaré M. Yang.
Le nouveau système est également bien adapté aux applications et aux jeux de RV/RA – apportant le toucher au métavers. L’équipe a démontré qu’un utilisateur peut sentir virtuellement la texture des vêtements dans une boutique de mode virtuelle. En outre, l’utilisateur ressent également une sensation de démangeaison lorsqu’il est léché par un chat VR.
Enfin, l’équipe a intégré les électrodes fines et légères du système de rendu électrotactile dans des capteurs tactiles flexibles sur des gants de sécurité. Le réseau de capteurs tactiles capte la répartition de la pression sur l’extérieur du gant et transmet l’information à l’utilisateur en temps réel par le biais d’une stimulation tactile.
Les chirurgiens peuvent sentir la prise d’un robot.
« Nous nous attendons à ce que notre technologie profite à un large éventail d’applications, telles que la transmission d’informations, la formation chirurgicale, la téléopération et le divertissement multimédia », a déclaré M. Yang.
Qu’est-ce qui a inspiré ces recherches ?
Zhengbao : Pour parler franchement, il n’y a pas de moment Eureka pour cette recherche. Notre laboratoire et les collaborateurs de Tencent travaillent depuis longtemps sur les capteurs et stimulateurs tactiles. Pourquoi avons-nous commencé ce projet ? Je pense que nous avons été principalement motivés par un besoin réel dans l’industrie.
Tencent est un géant mondial de l’industrie du jeu et de la technologie VR/AR ; la pandémie de COVID a torturé notre race humaine pendant trois ans avec des quarantaines solitaires et un arrêt de la société. Tout cela nous a incités à développer des systèmes de rendu tactile pour mieux profiter des jeux vidéo et peut-être « étreindre » nos chères familles pendant la quarantaine.
En outre, pendant la R&D, les vols spatiaux habités de la Chine ont fait la une des journaux. Nous avons vu nos astronautes porter des combinaisons spatiales épaisses et encombrantes. Ils ne peuvent pas effectuer des tâches qui sont très faciles sur terre en utilisant nos mains nues. Nous avons donc pensé à les aider, et peut-être aussi les pompiers, à sentir indirectement l’extérieur par-dessus des gants épais.
Quels ont été les plus grands défis techniques ?
Les techniques existantes pour reproduire des stimuli tactiles peuvent être classées en deux grandes catégories : la stimulation mécanique ou électrique. En appliquant une force mécanique ou une vibration localisée sur la peau, les actionneurs mécaniques peuvent provoquer des sensations tactiles stables et continues. Cependant, ces actionneurs mécaniques ont tendance à être encombrants, ce qui limite fortement la résolution spatiale lorsqu’ils sont intégrés à un dispositif portable ou à porter.
Même si les stimulateurs électrotactiles peuvent être légers et flexibles, tout en offrant une résolution plus élevée et une réponse plus rapide, la tension appliquée à la peau humaine est supérieure à des centaines de volts. Cette haute tension pénètre la couche cornée pour stimuler les mécanorécepteurs et les nerfs, ce qui pose un problème de sécurité.
Pouvez-vous expliquer en termes simples comment fonctionne votre technologie ?
Tout d’abord, il faut savoir pourquoi nous pouvons ressentir une perception tactile. Lorsqu’une force extérieure déforme la peau, les canaux ioniques mécanosensibles s’ouvrent, dépolarisant le soma des mécanorécepteurs et déclenchant ainsi des potentiels d’action propagés au cortex somatosensoriel par les faisceaux nerveux périphériques. Il ne fait donc aucun doute que nous pouvons utiliser la stimulation électrique pour imiter la perception tactile humaine naturelle. Mais nous devons simultanément surmonter la tension de fonctionnement élevée et améliorer encore la résolution du rendu tactile.
Quelle est la prochaine étape de vos recherches et essais ?
Une faiblesse commune des stimulateurs électriques est l’incapacité de stimuler précisément les mécanorécepteurs SA sans activer les récepteurs FA, ce qui rend difficile la production de la sensation de pression soutenue. Dans nos futurs travaux, nous voulons surmonter ce problème. (En général, les mécanorécepteurs SA détectent la pression soutenue tandis que les mécanorécepteurs FA répondent au début et à la fin de la stimulation).
Dans combien de temps le système de rendu tactile portable sera-t-il disponible pour le commun des mortels ? Complètement omniprésent ?
C’est difficile à dire, peut-être cinq ans. Cela dépend également d’autres développements technologiques connexes, tels que le métavers. Nous pensons que cette technologie attirera l’attention du monde universitaire et de l’industrie, accélérant ainsi le processus de commercialisation.
Nous avons démontré son potentiel d’application en tant qu’affichage braille, en ajoutant le sens du toucher dans le métavers, comme le shopping et les jeux en réalité virtuelle, et en facilitant le travail des astronautes, des plongeurs en haute mer ou d’autres personnes qui doivent porter des gants épais.
Outre les applications VR/AR, nous souhaitons également mettre en avant l’application des affichages en braille. L’un des principaux problèmes auxquels les malvoyants sont confrontés lors de l’apprentissage du braille est la déconnexion entre les systèmes utilisés pour la lecture et l’écriture. Nous proposons une nouvelle stratégie braille pour permettre aux malvoyants d’utiliser le même système alphabétique pour lire et écrire.
Nous utilisons l’illusion de continuité tactile, selon laquelle des entrées sensorielles distinctes dans l’espace et le temps sont naturellement assemblées par notre système somatosensoriel pour former une sensation continue. Nous décomposons les lettres de l’alphabet et les chiffres en traits individuels et les ordonnons de la manière dont ils sont écrits.
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