Rezgő visszajelzéseket használó termékek tervezésének gyakorlati szempontjai

A digitális eszközöket és szolgáltatásokat hasznosító eszközök növekvő népszerűsége és hasznossága egyre több terméktervezőt ösztönöz arra, hogy olyan rezgő visszajelzést (idegen kifejezéssel haptikus technikát) használjon a készülékeiben, amelynek segítségével a felhasználó jobban beleélheti magát az adott tevékenységbe, és amely így magával ragadóbb élményt nyújt. A digitális illesztőfelületek rezgő visszajelzéssel való bővítése tapintással érzékelhető használatot tesz lehetővé, és olyan további élményeket nyújt, amelyek kiegészítik a látást és a hallást, vagy túlmutatnak azon. A rezgő visszajelzésben rejlő képességek kiaknázására törekvő tervezők kihasználhatják a könnyen elérhető alkatrészek előnyeit, hogy új felhasználási módokat és üzleti lehetőségeket valósítsanak meg.

A rezgő visszajelzést már most is hasznosítják sok tömegek által ismert fogyasztói termékben az okostelefonoktól kezdve az autókon át a fizetőterminálokig (POS, point-of-sale) és a pénzkiadó automatákig (ATM, automated teller machine). Emellett gyógyászati és sebészeti eszközökben, ipari és gyártósori gépekben, valamint épületautomatizálási területeken is használják őket.

A rezgő visszajelzés eredete 1880-ra nyúlik vissza, amikor Pierre és Jacques Curie bebizonyította, hogy egyes anyagoknak piezoelektromos tulajdonságaik vannak, azaz mechanikai erő hatására kis mennyiségű villamos töltést állítanak elő. A fordított piezoelektromos hatás az anyag fizikai mozgását váltja ki, amikor feszültséget kapcsolnak rá, ezt a tengeralattjárók korai ultrahangos érzékelőrendszereinek és a korai repülőgépes rádiórendszereknek a kifejlesztésére használták. Ugyanezek az elvek állnak a kis hangszórókban, mikrofonokban és még a zenés ajándékkártyákban is gyakran használt rezgéskeltők és átalakítók középpontjában is.

A rezgő visszajelzés nyújtotta képességeknek, valamint a virtuális valóságnak (VR, virtual reality), a kiterjesztett valóságnak (AR, augmented reality) és a dolgok internetének (IoT, Internet of Things) a kombinációja révén a felhasználó jobban beleélheti magát az adott tevékenységbe a meglévő eszközöket használva, emellett ez a kombináció új felhasználási területek számára nyithatja meg az utat. A rezgő visszajelzést adó piezoelektromos rezgéskeltők a fizikai világhoz közelebbivé varázsolják a virtuális tevékenységeket, mert a rezgések természetes és a beleélést segítő válaszreakciókat adnak, például játék közben a versenyzéstől a fegyverek elsütéséig sok mindent szimulálva.

A rezgő visszajelzések fontos szerepet játszhatnak a lényeges riasztások felismerésében is a látást vagy a hangot korlátozó tényezők leküzdésével. Orvosi környezetben például a rezgő visszajelzések segíthetnek a szakembereknek abban, hogy pontosabban reagáljanak az őket érő többféle jelzésre, ami életmentő lehet olyan helyzetekben, ahol minden másodpercnek jelentősége van, és szó szerint élet-halál kérdésről van szó.

A jövő érzékelése: felhasználási területek és felhasználási módok

A rezgő visszajelzésekben rejlő lehetőségeknek csak a terméktervezők képzelőereje szab határt. Ahogy a kiterjesztett valóság és a virtuális valóság népszerűsége növekszik, valamint a mesterséges intelligencia (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) és a gépi tanulás (ML, machine learning) tovább fejlődik, a rezgő visszajelzések valószínűleg kiemelkedő szerepet fognak játszani az egyre növekvő, a beleélést segítő digitális hatások nyújtásában számos szakterületen, többek között az alábbiakon:

• Orvosi területeken, ahol a rezgő visszajelzések már most kezdenek jelentős szerepet játszani a robottal támogatott sebészetben és az invazív fogászati eljárásokban, lemásolva és átvéve az orvosok évek során tapintás útján szerzett tapasztalatait. A rezgő visszajelzések és a virtuális valóság ötvözésével, a valós eljárásokat szimulálva a gyakorlati tapasztalatokat kiegészítő módon fejleszthető az orvosi készségek elsajátítása a szikével való bánásmódtól a szívverés érzékeléséig. A rezgő visszajelzések előrelépést hozhatnak a betegek rehabilitációjában a szervezet legyengülésével járó sérüléseket elszenvedett áldozatok számára, segíthetnek a sztrók áldozatainak újra megtanulni a kulcsfontosságú motorikus készségeket, és lehetőséget kínálnak az amputáltak számára, hogy leküzdjék a mechanikus protézisek korlátait.
• Gépjárműipari felhasználási módok, ahol már most is használnak rezgő visszajelzéseket, például a sávelhagyásra és a kormánykerék helytelen fogására tapintással érzékelhető jelzésekkel figyelmeztetik a gépkocsivezetőt. Az okosórák és a navigációs rendszerek összeépítése figyelmeztetheti a járművezetőket a közelgő kanyarokra, csökkentve ezzel annak szükségességét, hogy folyton a fedélzeti képernyőn lévő térképeket kelljen bámulniuk.
• Ipari területek és gyártóüzemek, ahol a nehézgépek kezelőinek és a gyártósorokon dolgozóknak könnyen elvonhatja a figyelmét, ha folyton a gombokra vagy a képernyőkre kell pillantgatniuk. A rezgő visszajelzések segíthetnek nekik abban, hogy folyamatosan az előttük álló vagy a már elvégzett feladatokra összpontosítsanak, miközben anélkül nyugtázhatják, hogy helyes döntéseket hoztak, hogy máshová kellene nézniük. A rezgő visszajelzések beépíthetők a kesztyűkbe és a ruhákba, hogy lehetővé tegyék a gépek pontos távirányítását és a pontos felszedési műveleteket, valamint potenciálisan veszélyes környezetben visszajelzéseket vagy figyelmeztetéseket adjanak.
• Kiskereskedelem és pénzügyi szolgáltatások, mivel az ügyfelek a fizetőterminálokkal és pénzkiadó automatákkal végzett mindennapi műveleteik során találkoznak a rezgő visszajelzések nyújtotta funkciókkal, például a kártyákkal és mobil eszközökkel végzett tranzakcióik jóváhagyásakor. A rezgő visszajelzések és a kiterjesztett valóság/virtuális valóság kombinációja olyan gazdag internetes vásárlási élményt kínál, amely lehetővé teszi a fogyasztók számára, hogy virtuálisan is ugyanazt éljék át, amit a fizikai kiskereskedelmi tevékenységek során megszoktak.
• A szórakoztatóelektronika, amely már bizonyítottan elég fejletté vált a rezgő visszajelzések használatára. Az első rezgő visszajelzéses okostelefont a 2000. évi Consumer Electronics Show-n (fogyasztói elektronikai kiállításon) mutatták be, és a technikát gyorsan átvették az androidos és Apple okostelefonok gyártói, kezdetben azért, hogy a felhasználók kapjanak valamilyen visszajelzést a virtuális billentyűzeteken való gépelés és a képernyő ikonjainak megnyomása közben. A rezgő visszajelzések azonban már korábban is sikereket értek el a videójátékok élvezetesebbé és élethűbbé tételével az 1990-es években, amikor a játékkonzolok és kiegészítőik, például a kormánykerekek és botkormányok rezgő visszajelzéseket adtak többek között az autóversenyzős és a lövöldözős játékokban. A fogyasztói eszközök és a digitális szolgáltatások folyamatos fejlődésével – a mozgásmennyiség-követőktől (okoseszközökön használt fitneszalkalmazásoktól) a kiterjesztett valósághoz és virtuális valósághoz kifejlesztett mikrofonos fejhallgatókig és szemüvegekig – a terméktervezők egymással versengve fáradoznak olyan új képességek kifejlesztésén, amelyek ugyanolyan kézzelfoghatóvá teszik a digitális világot, amilyen a fizikai valóság.

A siker összetevői: a minden igényt kielégítő eszközök

A terméktervezők a könnyen elérhető alkatrészválaszték segítségével olyan rezgő visszajelzést adó felületeket hozhatnak létre, amelyek egyaránt megfelelnek a saját műszaki elvárásaiknak és a felhasználási területek igényeinek is.

Az első lépés a rendelkezésre álló technikák és a rájuk vonatkozó tervezési követelmények közti különbségek megértése. A rezgő visszajelzések létrehozására az elektromechanikus alkatrészek jelentik a legelterjedtebb műszaki megoldásokat. Általában a következő fő kategóriákba sorolják őket:

• Az excentrikus forgó tömeges (ERM, Eccentric Rotating Mass) rezgéskeltők egy egyenáramú motorhoz csatlakoztatott, nem központosan a tengelyre helyezett forgó tömeget (körhagyót vagy idegen szóval excentert) használnak a rezgések létrehozására, és így kisfrekvenciás „remegési” érzetet képesek kelteni (1. ábra). A rezgéskeltő az eszköz vezérlőfeszültségével közvetlenül összefüggő frekvencián rezeg (vagy remeg). Mivel némi időre van szükség ahhoz, hogy a forgó villanymotor a kívánt fordulatszámot elérje, amikor feszültséget kapcsolnak rá – illetve hogy a megállásig lelassuljon –, ezek az eszközök olyan felhasználási területekre a legmegfelelőbbek, ahol érzékelhető rezgésekre van szükség, de nincs feltétlenül szükség pontos rezgésmintákra. A PUI Audio cég kínálatában számos excentrikus forgó tömeges rezgéskeltő található, köztük a 3,4 mm × 4,4 mm × 11 mm méretű, felületszerelt, HD-EMB1104-SM-2 jelű eszköz, amely kis méretű tokozásban kínál erős rezgő visszajelzést. Alkalmas orvosi, gépjárműipari és ipari felhasználási területekre, fogyasztói és hordozható eszközökbe, illetve biztonsági berendezésekbe. Egy másik lehetőség a PCI Audio HD-EM0602-LW15-R jelű, szénkefe nélküli egyenáramú villanymotorral hajtott excentrikus forgó tömeges rezgéskeltője, amelynek jobb a fordulatszám- és nyomatékszabályozása és hosszabb az élettartama, mint a szénkefés rezgéskeltőknek.

1. ábra: Egy excentrikus forgó tömeges rezgéskeltő robbantott ábrája (ábra: PUI Audio)

• A lineáris rezgéskeltők (LRA, Linear Resonant Actuator) (2. ábra) váltakozó áramúak, és egy tengely mentén két irányban mozogva keltenek rezgést, így nagy felbontású, jól szabályozható rezgésminták útján tudnak jelzéseket adni a felhasználók számára. A lineáris rezgéskeltők egy tömeget egyenes vonalban mozgatva hoznak létre rezgéseket. Ekkor a tekercset az eszközre adott feszültségű és frekvenciájú jellel gerjesztik, ami a rezgés erősségének és frekvenciájának egymástól független szabályozására ad módot. Az excentrikus forgó tömeges rezgéskeltőkkel ellentétben a lineáris rezgéskeltővel ellátott készülékek esetében a felhasználók azonnal érzik a rezgést, amikor a tekercs gerjesztést kap, és a tömeg fel-le mozog. Ez a technika hasonló a hagyományos hangszórók működéséhez, amelyekben egy adott hullámformájú jel egy tekercset gerjeszt, az pedig egy mágnest és egy membránt mozgat, és ezzel hanghullámokat állít elő. A PUI Audio HD-LA1307-SM jelű eszköz egy vízálló, IP-besorolással ellátott, felületszerelt lineáris rezgéskeltő, amely megkönnyíti a különböző végfelhasználói készülékekbe, például virtuálisvalóság-környezetekbe, játékkonzolokba, orvosi szimulátorokba, kézi eszközökbe, valamint fogyasztói és ipari érintéses vezérlőfelületekbe való zökkenőmentes beépítést.

2. ábra: Egy lineáris rezgéskeltő robbantott ábrája (ábra: PUI Audio)

• A lengőtekercses rezgéskeltők (VCA, Voice Coil Actuator), más néven lengőtekercses motorok (VCM, Voice Coil Motor) (a lengőtekercses helyett olykor használják a hangtekercses jelzőt is) (3. ábra) ugyanazt a lengőtekercses technikát használják, mint a lineáris rezgéskeltők, de működésük még jobban hasonlít a hangszórókéhoz. Ezekben is egy tömeg mozog egyenes vonalban, mint a lineáris rezgéskeltőkben, de nagyobb a mérete és a tömege, ami sokkal jelentősebb és valósághűbb rezgést eredményez, mint amit egy lineáris rezgéskeltővel létre lehetne hozni. A PUI Audio HD-VA2527 hengeres lengőtekercses rezgéskeltője könnyen változtatható és összetett rezgéseket képes előállítani.

3. ábra: Egy lengőtekercses rezgéskeltő robbantott ábrája (ábra: PUI Audio)

• A rezgő visszajelzést adó piezoelektromos alkatrészek, amelyeket gyakran piezoberregőknek vagy egyszerűen csak berregőknek neveznek, a fordított piezoelektromos hatáson alapulnak, és valamilyen aktív piezoelektromos anyag sík rétegeiből állnak, amelyek feszültség hatására meghajlanak és összehúzódnak, és ezáltal hangot adnak ki és rezgést keltenek. Lehetnek kerek tárcsa alakúak, mint a PUI Audio HD-PAB1501 jelű, vagy téglalap alakúak, mint a HD-PAS2507 jelű eszköze. A piezoberregők képesek összetettebb és részletesebb jeleket is kiadni, például a szívverés hangját, és korábban soha nem tapasztalt valósághű érzetet nyújtani. Ezek az alkatrészek pontosabb kitérést és nagyobb reakciósebességet tesznek lehetővé, erősebb jelek előállítására képesek, és hosszabb az élettartamuk. Nagyobb feszültséget igényelnek, mint az excentrikus forgó tömeges rezgéskeltők és a lineáris rezgéskeltők, de a tervezők használhatnak „berregőmeghajtó” integrált áramköröket, hogy kisfeszültségű áramforrások esetén is kielégítsék a feszültségigényeket.

Összegzés

A terméktervezők a saját eszközeik rezgő visszajelzésekkel való ellátásához kihasználhatják a gazdag alkatrészkínálat jelentette előnyöket. Fel kell mérniük, hogy milyen típusú rezgés a legmegfelelőbb az általuk tervezett készülékhez, valamint az egyes rezgéskeltők előnyeit és korlátait, hogy elérjék a készülék által megkövetelt műszaki adatokat, valamint kielégítsék a végfelhasználói igényeket és a konkrét felhasználási területek által támasztott elvárásokat. A megfelelő tervezési döntésekkel olyan új rezgő visszajelzéses termékeket lehet létrehozni, amelyek új üzleti lehetőségek megteremtését segítik elő.