Un dispositivo de representación electrotáctil portátil de alta resolución que virtualiza el sentido del tacto

Un equipo de investigación colaborativo codirigido por la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado un sistema de representación táctil portátil, que puede imitar la sensación del tacto con alta resolución espacial y una tasa de respuesta rápida.

El equipo demostró su potencial de aplicación en una pantalla braille, agregando el sentido del tacto en el metaverso para funciones como compras y juegos de realidad virtual, y facilitando potencialmente el trabajo de astronautas, buceadores de aguas profundas y otros que necesitan usar guantes gruesos.

«Podemos escuchar y ver a nuestras familias a larga distancia a través de teléfonos y cámaras, pero aún no podemos sentirlas ni abrazarlas. Estamos físicamente aislados por el espacio y el tiempo, especialmente durante esta pandemia de larga duración», dijo el Dr. Yang Zhengbao, Profesor Asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU, quien codirigió el estudio.

«Aunque ha habido un gran progreso en el desarrollo de sensores que capturan digitalmente características táctiles con alta resolución y alta sensibilidad, todavía nos falta un sistema que pueda virtualizar de manera efectiva el sentido del tacto que pueda registrar y reproducir sensaciones táctiles en el espacio y el tiempo».

En colaboración con el Laboratorio de Robótica X del gigante tecnológico chino Tencent, el equipo desarrolló un novedoso sistema de representación electrotáctil para mostrar varias sensaciones táctiles con alta resolución espacial y una tasa de respuesta rápida. Sus hallazgos fueron publicados en la revista científica Avances de la ciencia.

Limitaciones en las técnicas existentes

Las técnicas existentes para reproducir estímulos táctiles se pueden clasificar en términos generales en dos categorías: estimulación mecánica y eléctrica. Mediante la aplicación de una fuerza mecánica o vibración localizada sobre la piel, los actuadores mecánicos pueden provocar sensaciones táctiles estables y continuas. Sin embargo, tienden a ser voluminosos, lo que limita la resolución espacial cuando se integran en un dispositivo portátil o portátil.

Los estimuladores electrotáctiles, por el contrario, que evocan sensaciones táctiles en la piel en la ubicación del electrodo al pasar una corriente eléctrica local a través de la piel, pueden ser livianos y flexibles al tiempo que ofrecen una resolución más alta y una respuesta más rápida. Pero la mayoría de ellos dependen de pulsos de corriente continua (CC) de alto voltaje (hasta cientos de voltios) para penetrar el estrato córneo, la capa más externa de la piel, para estimular los receptores y los nervios, lo que plantea un problema de seguridad. Además, era necesario mejorar la resolución de representación táctil.

El último actuador electrotáctil desarrollado por el equipo es muy delgado y flexible y se puede integrar fácilmente en un dedil. Este dispositivo portátil en la yema del dedo puede mostrar diferentes sensaciones táctiles, como presión, vibración y aspereza de la textura en alta fidelidad. En lugar de utilizar pulsos de CC, el equipo desarrolló una estrategia de estimulación alterna de alta frecuencia y logró reducir el voltaje de funcionamiento por debajo de los 30 V, lo que garantiza que la representación táctil sea segura y cómoda.

También propusieron una nueva estrategia de súper resolución que puede generar sensaciones táctiles en ubicaciones entre electrodos físicos, en lugar de solo en las ubicaciones de los electrodos. Esto aumenta la resolución espacial de sus estimuladores en más de tres veces (de 25 a 105 puntos), por lo que el usuario puede sentir una percepción táctil más realista.

Estímulos táctiles con alta resolución espacial

«Nuestro nuevo sistema puede provocar estímulos táctiles con alta resolución espacial (76 puntos/cm²), similar a la densidad de los receptores relacionados en la piel humana y una tasa de respuesta rápida (4 kHz)», dijo el Sr. Lin Weikang, estudiante de doctorado en CityU, quien fabricó y probó el dispositivo.

El equipo realizó diferentes pruebas para mostrar varias posibilidades de aplicación de este nuevo sistema de renderizado electrotáctil portátil. Por ejemplo, propusieron una nueva estrategia de Braille que es mucho más fácil de aprender para las personas con discapacidad visual.

La estrategia propuesta descompone el alfabeto y los dígitos numéricos en trazos individuales y en el mismo orden en que se escriben. Al llevar el nuevo sistema de representación electrotáctil en la yema del dedo, el usuario puede reconocer el alfabeto presentado al sentir la dirección y la secuencia de los trazos con el sensor de la yema del dedo.

«Esto sería particularmente útil para las personas que pierden la vista en el futuro, permitiéndoles continuar leyendo y escribiendo usando el mismo sistema alfabético al que están acostumbrados, sin la necesidad de aprender todo el sistema de puntos Braille», dijo el Dr. Yang.

Habilitación táctil en el metaverso

En segundo lugar, el nuevo sistema es muy adecuado para aplicaciones y juegos de realidad virtual y realidad aumentada, lo que agrega el sentido del tacto al metaverso. Los electrodos se pueden hacer altamente flexibles y escalables para cubrir áreas más grandes, como la palma de la mano. El equipo demostró que un usuario puede sentir virtualmente la textura de la ropa en una tienda de moda virtual. El usuario también experimenta una sensación de picazón en las yemas de los dedos cuando un gato de realidad virtual lo lame. Al acariciar el pelaje de un gato virtual, el usuario puede sentir una variación en la aspereza a medida que las caricias cambian de dirección y velocidad.

El sistema también puede ser útil para transmitir detalles táctiles finos a través de guantes gruesos. El equipo integró con éxito los electrodos delgados y livianos del sistema de renderizado electrotáctil en sensores táctiles flexibles en un guante de seguridad. El conjunto de sensores táctiles captura la distribución de presión en el exterior del guante y transmite la información al usuario en tiempo real a través de la estimulación táctil.

En el experimento, el usuario pudo ubicar de forma rápida y precisa una pequeña arandela de acero de solo 1 mm de radio y 0,44 mm de grosor en función de la respuesta táctil del guante con sensores y estimuladores. Esto muestra el potencial del sistema para permitir la percepción táctil de alta fidelidad, que actualmente no está disponible para los astronautas, bomberos, buzos de aguas profundas y otras personas que necesitan usar trajes o guantes protectores gruesos.

«Esperamos que nuestra tecnología beneficie a un amplio espectro de aplicaciones, como la transmisión de información, la capacitación quirúrgica, la teleoperación y el entretenimiento multimedia», agregó el Dr. Yang.