Un dispositif haptique au bout des doigts apporte une texture réaliste aux écrans tactiles.
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Des ingénieurs de l'Université Northwestern ont mis au point le premier dispositif haptique atteignant une « résolution humaine », c'est-à-dire qu'il reproduit fidèlement les capacités sensorielles du bout du doigt humain.
Baptisé VoxeLite, ce dispositif ultra-fin, léger, flexible et portable recrée les sensations tactiles avec la même clarté, la même précision et la même rapidité que la peau. Tel un pansement, il enveloppe délicatement le bout du doigt pour offrir au toucher numérique le même réalisme que celui que l'on attend aujourd'hui des écrans et haut-parleurs.
En combinant une haute résolution spatiale avec un format confortable et portable, VoxeLite pourrait transformer la façon dont les gens interagissent avec les environnements numériques, notamment grâce à des systèmes de réalité virtuelle plus immersifs, des technologies d'assistance pour les personnes malvoyantes, des interfaces homme-robot et des écrans tactiles améliorés.
L'étude est publiée dans la revue Science Advances .
« Le toucher est le dernier sens majeur sans véritable interface numérique », a déclaré Sylvia Tan, de l'université Northwestern, qui a dirigé l'étude. « Nous disposons de technologies qui rendent les choses visuellement et auditivement réalistes. Désormais, nous voulons que les textures et les sensations tactiles soient elles aussi réelles. »
« Notre dispositif fait progresser le domaine vers cet objectif. Nous l'avons également conçu pour être confortable, afin que les utilisateurs puissent le porter pendant de longues périodes sans avoir besoin de l'enlever pour effectuer d'autres tâches. C'est un peu comme porter des lunettes toute la journée sans même y penser. »
« Ces travaux représentent une avancée scientifique majeure dans le domaine de l'haptique, car ils introduisent, pour la première fois, une technologie qui atteint une "résolution humaine" », a déclaré J. Edward Colgate de Northwestern, pionnier de l'haptique et auteur principal de l'étude.
« Il a la capacité de présenter des informations haptiques à la peau avec la résolution spatiale et temporelle du système sensoriel. »
Edward Colgate est professeur Walter P. Murphy de génie mécanique à l'école d'ingénierie McCormick de Northwestern et directeur du Centre de recherche en ingénierie de la Fondation nationale des sciences sur l'augmentation humaine par la dextérité (HAND).
Colgate et Michael Peshkin, co-auteur principal et professeur titulaire de la chaire Allen K. et Johnnie Cordell Breed en conception et professeur de génie mécanique à McCormick, collaborent depuis longtemps et sont des pionniers dans le domaine de la technologie haptique. Tan est doctorante au Centre de robotique et de biosystèmes de Northwestern, où elle est encadrée par Colgate et Peshkin.
VoxeLite pourrait transformer des cartes planes en matrices tactiles pour les personnes malvoyantes. Crédit : Sylvia Tan/Université Northwestern
Problèmes non résolus en haptique
Malgré des décennies de progrès dans la vidéo haute définition et l'audio réaliste, le toucher numérique reste obstinément à la traîne. Le retour haptique actuel – principalement de simples vibrations de smartphone – ne peut restituer la richesse et la précision des informations perçues naturellement par le bout des doigts. Cela s'explique en partie par la difficulté notoire à simuler la résolution spatiale et temporelle de la peau.
« Pensez aux très vieux films, lorsque le nombre d'images par seconde était très faible, ce qui donnait des mouvements saccadés. C'est dû à une faible résolution temporelle », a expliqué Colgate.
« Prenons l’exemple des premiers écrans d’ordinateur où les images étaient pixélisées. C’est ce qu’on appelle une faible résolution spatiale. De nos jours, ces deux problèmes sont résolus pour les écrans graphiques. En revanche, pour les écrans tactiles, la solution est loin d’être trouvée. De fait, très peu de chercheurs ont même tenté de les aborder simultanément. »
Pixels individuels du toucher
Avec VoxeLite, Tan, Colgate et Peshkin font un grand pas vers la résolution de ces problèmes. Ce dispositif est composé d'une multitude de minuscules picots, contrôlés individuellement, intégrés à une feuille de latex extensible et ultra-fine. Ces picots souples fonctionnent comme des pixels tactiles, chacun étant capable d'exercer une pression sur la peau à grande vitesse et selon des motifs précis.
Chaque nœud est composé d'un dôme en caoutchouc souple, d'une couche extérieure conductrice et d'une électrode intérieure dissimulée. Lorsqu'une faible tension est appliquée, il génère une électroadhésion, principe qui permet à un ballon de coller à un mur après avoir été frotté.
Dans leur technologie TanvasTouch développée précédemment , Colgate et Peshkin exploitaient l'électroadhésion pour moduler la friction entre le bout du doigt et la surface lisse d'un écran tactile. Dans ces dispositifs, un champ électrique appliqué modifie la friction pour créer l'illusion d'une texture, sans nécessiter de pièces mobiles.
VoxeLite pourrait ajouter de la texture aux écrans tactiles sans perturber les tâches quotidiennes. Crédit : Sylvia Tan/Université Northwestern
VoxeLite fait progresser ce concept. Cette nouvelle technologie applique des forces électrostatiques de manière précise et contrôlée pour permettre à chaque minuscule nœud d'adhérer à une surface et de s'incliner afin d'exercer une pression sur la peau. Ceci génère une force mécanique très localisée, de sorte que chaque « pixel » de contact exerce une pression sur la peau du bout du doigt.
Des tensions plus élevées augmentent la friction lors du mouvement, produisant des sensations tactiles plus marquées qui simulent la sensation d'une surface rugueuse. À l'inverse, des tensions plus faibles créent moins de friction et, par conséquent, la sensation d'une surface plus glissante.
« Lorsqu'on le passe sur une surface reliée à la terre, l'appareil contrôle la friction de chaque nœud, ce qui permet de créer une indentation contrôlée sur la peau », explique Colgate. « Les tentatives précédentes pour générer des effets haptiques ont abouti à des appareils volumineux, encombrants et complexes. VoxeLite, quant à lui, pèse moins d'un gramme. »
Parvenir à une résolution humaine
Pour recréer des sensations proches de la perception humaine, Tan a rapproché les électrodes. Dans la version la plus dense du dispositif, l'espacement entre les électrodes est d'environ 1 millimètre. Lors des tests utilisateurs, Tan a utilisé une version avec un espacement de 1,6 millimètre.
« La densité des nœuds est cruciale pour reproduire l'acuité visuelle humaine », explique Tan. « Les nœuds doivent être suffisamment espacés pour que le corps puisse les distinguer. Si deux nœuds sont distants de moins d'un millimètre, le bout des doigts ne perçoit qu'un seul nœud au lieu de deux. Mais s'ils sont trop éloignés, ils ne peuvent pas recréer les détails les plus fins. Pour offrir des sensations réalistes, nous avons cherché à égaler cette acuité visuelle humaine. »
VoxeLite fonctionne selon deux modes : actif et passif. En mode actif, l’appareil génère des sensations tactiles virtuelles en inclinant et en enfonçant rapidement des nœuds individuels lorsque l’utilisateur se déplace sur une surface lisse, comme l’écran d’un smartphone ou d’une tablette. Les nœuds peuvent se déplacer jusqu’à 800 fois par seconde, couvrant ainsi la quasi-totalité du spectre de fréquences des récepteurs tactiles humains.
Sylvia Tan présente différents prototypes VoxeLite. Tan et son équipe ont testé différentes densités de nœuds pour obtenir une résolution comparable à celle de l'œil humain. Crédit : Université Northwestern
Reconnaissance des textures virtuelles
Dans une série d'expériences, les participants équipés du dispositif ont reconnu avec précision et fiabilité des textures, des motifs et des indications directionnelles virtuels. Les personnes portant le VoxeLite ont identifié les directions (haut, bas, gauche et droite) avec une précision allant jusqu'à 87 %. Elles ont également identifié de véritables tissus, comme le cuir, le velours côtelé et le tissu éponge, avec une précision de 81 %.
En mode passif, l'appareil est quasiment imperceptible. Extrêmement fin, doux et épousant parfaitement la peau, VoxeLite n'entrave pas les activités quotidiennes et préserve la sensation tactile naturelle. Les utilisateurs peuvent ainsi passer en toute fluidité du monde réel au monde numérique.
Pour les futures versions de l'appareil, l'équipe de Northwestern envisage une technologie pouvant être associée aux smartphones et aux tablettes.
À l'instar des écouteurs qui utilisent le Bluetooth pour interagir avec nos appareils, VoxeLite pourrait un jour se synchroniser avec ces derniers afin de transformer les écrans plats et lisses en interfaces texturées. Ceci pourrait potentiellement offrir des expériences d'achat en ligne plus immersives, permettant aux consommateurs de toucher les textiles et les tissus avant de passer commande.
Cela pourrait également mener à la création de cartes tactiles pour les personnes malvoyantes ou à des jeux plus interactifs, où les joueurs peuvent sentir l'élasticité d'un élastique ou les aspérités des rochers d'une falaise.
« Ce qui rend ce projet si passionnant, c'est la combinaison de la résolution spatiale et temporelle avec la facilité de portabilité », a déclaré Tan.
« On a tendance à se concentrer sur l'un de ces trois aspects, car chacun représente un défi de taille. Notre laboratoire a déjà résolu le problème de la résolution temporelle grâce à l'électroadhésion. Ensuite, mon défi a été de rendre le dispositif spatialement distribué et portable. Il nous a fallu du temps pour y parvenir. Actuellement, nous menons des études pour comprendre comment les humains reçoivent et perçoivent réellement cette information tactile. »