Отзывчивые экраны: гаптические технологии в дисплеях

Сенсорные экраны прочно вошли в нашу жизнь, однако пока очень немногие из них способны действительно отвечать на действия пользователей.

Один из самых больших, но совершенно не очевидных на первый взгляд недостатков сенсорных экранов - отсутствие обратной связи: дисплеи никак не реагируют на касание или нажатие, оставаясь плоскими и безжизненными. Между тем осязание - одно из важнейших чувств.

Человек способен на ощупь различать фактуру поверхности, давление на кожу, вибрации различной частоты и характера, температуру и влажность и, наконец, физические размеры объекта. Всего этого многообразия ощущений мы лишаемся, сталкиваясь с подавляющим большинством современных сенсорных экранов: нарисованные кнопки "нажимаются" лишь виртуально - эту иллюзию создают меняющиеся картинки. Но на самом деле наши пальцы просто упираются в твёрдое гладкое стекло экрана, и практически всем знаком лёгкий дискомфорт, связанный с этим ощущением, которое в корне противоречит тому, что видят глаза.

Существуют разные способы привить "отзывчивость" сенсорному экрану. Такие технологии называются гаптическими - от греческого слова hapticos, означающего "осязательный". О некоторых из них и пойдёт речь в этой статье.

Cамая простая и доступная технология, способная имитировать обратную связь при нажатии на сенсорный экран, - вибрационная. В любом мобильном телефоне есть так называемый "виброзвонок", представляющий собой микроэлектродвигатель, заставляющий корпус аппарата вибрировать. Можно установить источники вибрации под разными участками экрана, и тогда при касании дисплея в разных местах пальцы будут ощущать вибрацию на этих участках.

Подобный подход применяется уже довольно давно, причём практически монопольное положение на рынке занимает компания Immersion, продвигающая систему TouchSense. В зависимости от размера и назначения сенсорного экрана используются разные реализации этой технологии. В больших дисплеях (например, в информационных киосках и платёжных терминалах) устанавливаются виброприводы, а в планшетах и смартфонах - миниатюрные пьезоэлементы. На сайте Immersion доступны средства разработки программного обеспечения, предназначенного для тех или иных устройств, а также рассчитанные на различное ПО. Фирменная среда разработки MOTIV Development Platform позволяет автоматизировать создание "отзывчивых" приложений для электроники под управлением операционной системы Android.

Виброприводы или пьезоэлементы в TouchSense устанавливаются непосредственно под экран, но их число ограничено как физическими свойствами экрана, так и размерами самих виброэлементов. В результате имитация обратной связи получается весьма приблизительной. В частности, невозможно ощутить чёткие границы того или иного элемента, выводимого на экран.

Одно из "лобовых" решений проблемы - подложить под экран целый массив миниатюрных пьезоэлементов, как предлагают в швейцарском Политехническом институте Лозанны (EPFL). Амплитуда колебаний микропьезоэлементов составляет лишь около микрона, поэтому при касании экрана пользователь ощущает не их, а тончайшую прослойку воздуха между пальцем и поверхностью дисплея. В результате создаётся стойкая иллюзия, что твёрдый экран представляет собой рельефный объект с различными выделенными объёмными зонами.

В Apple подошли к решению этой проблемы с другой стороны: в одном из патентов, который компания получила в 2012 году, описывается технология имитации нажатия механических кнопок на экране планшета или смартфона при помощи программируемых магнитов и жидких ферромагнетиков. Прикосновение к дисплею в определённом месте активирует соответствующие магниты, притягивающие магнитную жидкость, в результате чего создаётся иллюзия нажатия механической кнопки. Очевидно, что для реализации такого подхода необходим некий мягкий слой с ферромагнетиками, установленный поверх экрана, что никак не сочетается с привычными жидкокристаллическими экранами, защищёнными твёрдым стеклом.

Инженеры стартапа Tactus Technology из Кремниевой долины предлагают свой вариант создания физического объёма на плоском экране. Их дисплей представляет собой многослойный "сэндвич" с жидкой прослойкой между двумя чувствительными слоями, при этом верхний слой экрана - гибкий и эластичный. При помощи микровентилей жидкость перекачивается в нужные места и формирует приподнятые над общим уровнем вполне осязаемые кнопки или другие органы управления.

Похожую схему успешно демонстрируют в действии учёные из Университета Карнеги Меллона, только в их "бутерброде" вместо жидкости используется воздух. На экран с изображением элементов интерфейса натягивается эластичная мембрана, под которую закачивается (или откачивается) воздух, в результате чего верхняя панель дисплея становится рельефной.

Пожалуй, самую интересную и оригинальную технологию гаптических экранов представляет финская компания Senseg. Неслучайно американский журнал Time назвал новую разработку одним из самых перспективных изобретений 2011 года.

Здесь нет ни надувных кнопок, ни вибрирующих участков. Эта система обратной связи, получившая название E-Sense Feel Screen, вообще не предполагает никакой механической реакции на прикосновения. Более того, в Feel Screen вовсе не задействованы естественные рецепторы кожи, ответственные за осязание.

Секрет - в физике, точнее, в электростатике. Согласно закону Кулона, модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. Если сформулировать иначе, то из этого закона следует, что два точечных заряда будут тем больше притягиваться друг к другу, чем сильнее будут эти заряды и чем меньше будет расстояние между ними.

Именно на этом принципе основана технология E-Sense Feel Screen. Под сенсорным дисплеем устанавливается массив электродов, управляемых специальным контроллером. Каждый такой электрод был назван тактильным пикселем или, если кратко, тикселем. Управляя силой заряда на тех или иных тикселях, можно имитировать различные текстуры поверхности. Когда электроды взаимодействуют с зарядами в пальцах, они создают сопротивление движению пальцев по экрану в нужных местах либо, наоборот, максимально облегчают скольжение.

В результате длительных исследований и экспериментов удалось добиться не только имитации самых разнообразных текстур на абсолютно плоском и гладком экране, но и создания иллюзии физических границ кнопок и других виртуальных органов управления, включая мнимые вогнутости и выпуклости. Впечатление от физических ощущений значительно усиливается с помощью визуализации объёмных поверхностей и звукового сопровождения, и это считается неотъемлемой частью технологии.

Чтобы превратить обычный сенсорный экран в гаптический, достаточно поменять тачскрин на фирменную панель Senseg Tixel Coating Touch Screen и установить контроллер этой панели. Уже доступны программные интерфейсы для самых популярных платформ, среди которых Google Android, Apple iOS, Microsoft Windows и Linux.

Пока что Senseg демонстрирует лишь прототипы своих "отзывчивых" экранов, но, по словам представителей компании, нет никаких препятствий к немедленному развёртыванию серийного выпуска Feel Screen, а лицензии на новую технологию могут при желании приобрести все серьёзные производители.

Многообразие гаптических технологий говорит о том, что сенсорные экраны с обратной связью - это то, чего действительно не хватает современным смартфонам, планшетам, уличным терминалам и вообще любым устройствам с тачскринами. Природу обмануть невозможно, и именно из-за отсутствия ожидаемой физической реакции так неудобно быстро печатать на виртуальных клавиатурах планшетов или набирать цифры на экране платёжного терминала. Судя по всему, этот факт уже осознали многие производители, так что вполне возможно, что уже в ближайшем будущем "отзывчивые" экраны станут такими же привычными, как и обычные сенсорные дисплеи.