Prática com o projeto de produtos com habilitação háptica

A crescente popularidade e a utilidade dos dispositivos que utilizam ferramentas e serviços digitais estão motivando mais projetistas de produtos a integrar a tecnologia háptica que garante maior envolvimento do usuário e proporciona experiências mais imersivas. O aprimoramento das interfaces digitais com sensações baseadas no toque adiciona interação tátil, criando experiências adicionais que complementam ou vão além da visão e da audição. Os projetistas ansiosos por explorar os recursos hápticos podem aproveitar os componentes prontamente disponíveis para buscar novos casos de uso e oportunidades de negócios.

A háptica já está sendo explorada em produtos de consumo altamente visíveis, que vão de smartphones a automóveis, passando por dispositivos de ponto de venda e caixas eletrônicos. Também estão em uso em dispositivos médicos e ferramentas cirúrgicas, maquinário industrial e de manufatura e aplicações de automação predial.

As origens da háptica remontam a 1880, quando Pierre e Jacques Curie demonstraram o efeito piezoelétrico de alguns materiais para gerar uma pequena carga elétrica por meio da aplicação de força mecânica. O efeito piezoelétrico inverso gera um movimento físico de um material quando uma tensão é aplicada e foi utilizado para desenvolver os primeiros sistemas de detecção ultrassônica de submarinos e sistemas aéreos de rádio. Esses mesmos princípios estão no centro dos atuadores e transdutores comumente usados em pequenos alto-falantes, microfones e até mesmo em cartões de presente musicais.

A combinação de recursos hápticos com a realidade virtual (VR), a realidade aumentada (AR) e a Internet das Coisas (IoT) tem o potencial de melhorar muito o envolvimento do usuário com os dispositivos existentes e abrir caminho para novas aplicações. Os atuadores hápticos piezoelétricos adicionam um toque realista às interações virtuais, com vibrações que proporcionam uma sensação natural e envolvente de capacidade de resposta, como a simulação de experiências de jogos, desde corridas até disparos de armas.

A tecnologia háptica pode desempenhar um papel fundamental na superação de fatores que limitam a visão ou o som no reconhecimento de alertas críticos. Em ambientes médicos, por exemplo, a háptica pode ajudar os profissionais a reagir mais prontamente a várias entradas, o que pode salvar vidas em situações em que cada segundo pode fazer a diferença para um resultado saudável.

Sentindo o futuro: aplicações e casos de uso

O potencial da háptica é limitado apenas pela visão dos projetistas de produtos. À medida que a popularidade da AR e da VR aumenta, e a inteligência artificial (IA) e o aprendizado de máquina (ML) continuam a evoluir, a háptica provavelmente desempenhará um papel proeminente no fornecimento de experiências digitais imersivas cada vez maiores em vários setores, inclusive:

• Áreas médicas, em que a háptica já está começando a desempenhar um papel em cirurgias assistidas por robôs e procedimentos odontológicos invasivos, ajudando a replicar a experiência de toque e sensação que os médicos adquirem ao longo de anos de prática. Combinada com a VR, a háptica pode aprimorar o aprendizado de habilidades médicas ao simular procedimentos práticos de uma maneira que proporcione experiências com a mão na massa, desde o uso de um bisturi até a palpitação de um coração. A háptica pode levar a avanços na reabilitação de pacientes vítimas de lesões debilitantes, ajudando as vítimas de derrame a reaprender habilidades motoras cruciais e proporcionando aos amputados a capacidade de superar as limitações das próteses mecânicas.
• Casos de uso automotivo, em que a háptica já está fornecendo aos motoristas avisos táteis sobre a saída da pista e a falta de aderência adequada ao volante. A integração do relógio inteligente com os sistemas de navegação pode alertar os operadores sobre as próximas curvas, diminuindo a necessidade de desviar o olhar para os mapas em suas telas de bordo.
• Industrial e de manufatura, onde os operadores de equipamentos pesados e os trabalhadores da linha de produção podem ser facilmente distraídos pela necessidade de olhar para botões ou telas. A tecnologia tátil pode ajudá-los a manter o foco nas tarefas à frente ou atrás deles, enquanto confirmam que fizeram as escolhas certas sem desviar o olhar. A tecnologia háptica pode ser incorporada a luvas e roupas para permitir o controle remoto preciso de máquinas, a precisão nas operações de coleta e para fornecer respostas ou alertas em ambientes potencialmente perigosos.
• Serviços financeiros e de varejo, pois os clientes estão experimentando a sensação tátil em encontros comuns do dia a dia com sistemas de ponto de venda e caixas eletrônicos, como a confirmação de interações usando cartões e dispositivos móveis. A combinação de háptica e AR/VR tem o potencial de proporcionar experiências de compras on-line ricas que permitem aos consumidores replicar virtualmente o que esperam em uma operação de varejo física.
• Eletrônicos de consumo, que se mostraram ideais para a háptica. O primeiro smartphone háptico foi apresentado na Consumer Electronics Show de 2000 e a tecnologia foi rapidamente adotada para smartphones Android e Apple, inicialmente para ajudar a melhorar a experiência do usuário ao digitar em teclados virtuais e pressionar ícones na tela. No entanto, a háptica obteve sucesso anteriormente ao enriquecer a experiência dos jogadores de videogames na década de 1990, com controles e acessórios, como os manches de direção, que forneciam resposta tátil para jogos de direção e tiro, entre outros. Com a evolução contínua dos dispositivos de consumo e dos serviços digitais - de rastreadores de condicionamento físico a fones de ouvido e óculos de AR/VR - os projetistas de produtos estão correndo para desenvolver novos recursos que tornem o mundo digital tão tangível quanto o físico.

Componentes para o sucesso: opções para cada necessidade

Os projetistas de produtos podem usar portfólios de componentes prontamente disponíveis para criar interfaces com habilitação háptica que atendam às suas especificações e necessidades de aplicação.

A primeira etapa é entender as diferenças entre as tecnologias disponíveis e seus requisitos de projeto. Os componentes eletromecânicos são a tecnologia mais comum para fornecer respostas hápticas. Eles são comumente agrupados nas seguintes categorias principais:

• Os atuadores em massa de rotação excêntrica (ERM) utilizam uma massa rotativa fora do eixo acoplada a um motor CC para gerar vibrações que podem proporcionar sensações de "trepidação" de baixa frequência (Figura 1). O atuador vibra em uma frequência diretamente correlacionada com a tensão de acionamento do dispositivo. Como leva pouco tempo para o motor rotativo atingir a velocidade desejada quando a tensão é aplicada - e para desacelerar o motor até a parada -, eles são melhores para aplicações em que é necessário um efeito de vibração perceptível, mas não são estritamente necessários padrões de vibração precisos. A PUI Audio oferece vários atuadores ERM, incluindo o HD-EMB1104-SM-2 de montagem em superfície, que proporciona uma forte resposta háptica em um pequeno invólucro de 3,4 mm por 4,4 mm por 11 mm. Ele é adequado para os segmentos médico, automotivo ou industrial; dispositivos de consumo ou portáteis; ou dispositivos de segurança. Outra opção é o ERM CC sem escovas HD-EM0602-LW15-R da PCI Audio, que tem melhor controle de velocidade e torque e uma vida útil mais longa do que os atuadores com escovas.

Figura 1: Vista explodida de um atuador ERM. (Fonte: PUI Audio)

• As peças do Atuador Ressonante Linear (LRA) (Figura 2) são acionadas por CA e produzem uma vibração em duas direções ao longo de um eixo, permitindo que padrões de vibração responsivos de alta resolução forneçam informações ao usuário. Os LRAs criam vibrações movendo a massa em uma direção linear quando a bobina é excitada com a frequência e a tensão do sinal aplicado ao dispositivo, fornecendo controle independente sobre a intensidade e a frequência da vibração. Diferentemente dos ERMs, com um dispositivo equipado com LRA, os usuários sentirão uma vibração assim que a bobina for excitada e a massa se mover para cima ou para baixo. Essa tecnologia está relacionada aos alto-falantes tradicionais, nos quais uma bobina é excitada por uma forma de onda, fazendo com que um ímã e um diafragma se movam e gerem ondas sonoras. O HD-LA1307-SM da PUI Audio é um LRA à prova d'água, com classificação IP e montagem em superfície que facilita a integração perfeita em várias aplicações finais, como ambientes de realidade virtual, consoles de jogos, simuladores médicos, dispositivos portáteis e interfaces de controle industriais e de consumo.

Figura 2: Vista explodida de um LRA. (Fonte: PUI Audio)

• Os motores de bobina de alto-falante (VCM), também chamados de atuadores de bobina de alto-falante (VCA) (Figura 3), usam a mesma tecnologia de bobina de alto-falante dos LRAs, mas são ainda mais análogos a um alto-falante. Uma massa se move linearmente, como em um LRA, mas com tamanho e massa maiores, produzindo um efeito de vibração mais substancial e realista do que o que poderia ser replicado com um LRA. O VCM cilíndrico HD-VA2527 da PUI Audio oferece efeitos de vibração flexíveis e complexos.

Figura 3: Vista explodida do VCA. (Fonte: PUI Audio)

• Os componentes hápticos piezoelétricos, geralmente chamados de captadores piezos ou buzzers, baseiam-se no efeito piezoelétrico inverso e são compostos por camadas planas de material piezoelétrico ativo que se dobram e se contraem quando a tensão é aplicada, criando som e vibração. Eles estão disponíveis em forma de discos, como o HD-PAB1501 da PUI Audio, e em tiras, como o HD-PAS2507. Os captadores piezo podem fornecer sinais mais complexos e detalhados, como o som de um batimento cardíaco, com uma sensação de realismo sem precedentes. Esses componentes oferecem maior precisão de deslocamento, velocidade de resposta mais rápida, força geradora mais significativa e vida útil mais longa. Eles exigem uma tensão mais alta do que os ERMs e LRAs, mas os projetistas podem utilizar circuitos integrados "acionadores de piezo" para atender aos requisitos de tensão das fontes.

Conclusão

Os projetistas de produtos podem aproveitar os portfólios de componentes avançados para integrar a háptica em seus dispositivos. Eles devem avaliar que tipo de vibração é apropriado para seu projeto, bem como os benefícios e as limitações de cada atuador para atender às especificações do projeto, às necessidades do usuário final e às aplicações específicas. Com as escolhas certas de projeto, é possível criar novos produtos com habilitação háptica que estimularão novas oportunidades de negócios.