Мы присутствуем при зарождении технологий, построенных на осязании. Это и перчатки с экзоскелетом, способные дозировать усилие и реагировать на контакт, это и роботы-хирурги с дистанционным управлением, и сенсорные экраны, готовые ответить вашей руке на ее прикосновение. Давайте же обменяемся рукопожатиями с этим виртуальным миром!
Передо мной на столе устройство, которое и язык как-то не поворачивается назвать «джойстиком», хотя по сути это он, тот самый интерфейс. Впрочем, тот, да не совсем — теперь это изощреннейший образец нового механизма, которому суждено изменить сам характер общения между человеком и машиной. Мы находимся в лаборатории микродинамических систем в Питтсбурге, в Университете Карнеги-Меллон, а стоящий перед нами интерфейс называется так: «хептическое устройство на принципе магнитной левитации». Аппарат угнездился в чашеобразной лунке посреди стола. Его пластиковая рукоятка торчит посреди ярко раскрашенных красных и синих магнитных вкладышей. На прикосновение устройство отвечает едва заметным гуденьем и подрагиванием.
Маленький сферический курсор на мониторе парит над равниной, утыканной какими-то небольшими корявыми конусами. С помощью джойстика я могу обследовать трехмерный ландшафт как бы на ощупь. Если я нажму на джойстик сверху вниз, крошечная летающая сфера сбросит высоту. Вот я уже тащу свой шарик прямо по ухабистой скалистой равнине, и рукоятка подрагивает в ладони. На удивление весело и смешно. Меня трясет, покуда я тащусь над кучкой пирамидок, потом плавно скольжу над равниной и тут — бэмц! — врезаюсь в массивную стенку. Я чувствую, как джойстик сопротивляется моей руке. Каждый участок в этой виртуальной игре — игровая площадка со своей собственной фактурой, и хептический контроллер как-то ухитряется переводить текстуру поверхности в такое поведение джойстика, которое вы можете почувствовать собственной рукой. Из всех данных нам чувств больше всего мы склонны игнорировать осязание, но теперь техника добралась и до него.
Хептика — это огромный мир с безграничными перспективами. От областей науки и техники, связанных с чувством осязания, тянутся практические применения, внедряющиеся во все сферы жизни — от портативных электронных устройств до роботов с дистанционным управлением. Однако за пределами научно-инженерного сообщества пока еще с этим направлением практически никто не знаком. «Люди даже не знают такого слова — хептика», — говорит Ральф Холлис, руководитель лаборатории микродинамики. Мы уже избалованы электронными устройствами, способными радовать и изумлять глаз и ухо почти неотличимой имитацией действительности, и на этом фоне уделом хептики представляются относительно незамысловатые сферы применения — погромыхивающие пульты для видеоигр да виброзуммеры, предваряющие в мобильнике обычный звуковой сигнал. «Только сейчас настало время перейти от простых клавиатур и механических переключателей к сенсорным экранам и прочим поверхностям, реагирующим на прикосновение, — говорит Майк Левин, вице-президент калифорнийской компании Immersion, специализирующейся на выпуске хептических интерфейсов. — Когда-то мы утратили связь с миром тактильных ощущений, а теперь пришло время вернуть его». Кроме того, вокруг появляется множество игр и социальных сетей, щедро украшенных красивыми трехмерными декорациями, — в них уже трудно ориентироваться, опираясь только на двумерный экран.
Если скрестить хептику с последними достижениями робототехники, мы получим отличные тренажеры для врачей — они позволят нарабатывать в виртуальной среде тончайшие навыки сложных операций. Сенсорная обратная связь становится все более четкой, еще немного, и эта технология раскроет новые возможности перед дистанционно управляемыми аппаратами, позволит с большей уверенностью маневрировать и функционировать в далекой, непривычной обстановке. Для успешной работы хептических механизмов от инженеров требуется тонкая настройка множества датчиков, приводных механизмов, магнитов и моторчиков, способных имитировать те фактуры и прикосновения, которые позволяют на ощупь пробираться по окружающему нас миру.
Искусство осязания
Хептическое устройство, которое мы видели в лаборатории микродинамики в Карнеги-Меллон, построено на принципе магнитной левитации и отлажено настолько точно, насколько это возможно при нынешнем уровне технологии. Система магнитных связей дает мгновенную реакцию — без люфтов и запаздываний, столь характерных для механических систем силовой обратной связи. Данные по координатам и усилиям обновляются 3000 раз в секунду. Устройство демонстрирует относительно высокую жесткость — порядка 400 Н на 1 см, то есть вам не удастся не заметить, когда ваш курсор упрется в препятствие. Единственный недостаток — ограниченный диапазон смещений. Плавающий джойстик способен сдвигаться только на 1 см в каждом направлении и наклоняться всего на 140. Короче, размах движений аналогичен тем, какие мы совершаем, когда пишем карандашом по бумаге.
По словам Холлиса, устройство создано исключительно для лабораторных нужд, хотя общее значение этих исследований выходит далеко за рамки компьютерно-научных приложений. «Под флагом хептики объединились исследователи из трех различных научных дисциплин, — говорит он. — Это инженеры, чье дело конструировать новые механизмы, математики, разрабатывающие эффективные алгоритмы, и психологи, старающиеся понять, как же на самом деле действует чувство осязания».
Психолог Роберта Клацки, коллега Холлиса по Карнеги-Меллон, использует это магнитолевитационное хептическое устройство для собственных исследований. Она тестирует добровольцев, выясняя, как человеку свойственно воспринимать такие ощущения, как, к примеру, шероховатость поверхности. Клацки исполнена самых радужных надежд касательно потенциальных возможностей в использовании хептической обратной связи. Вот что она говорит о применении этой технологии при торговле через интернет: «Прежде чем заказать ткань и оплатить ее по электронной почте, вы сможете попробовать материал на ощупь». Более того, «хептика позволит формировать такие осязательные ощущения, которые, живя в нашем материальном мире, вы бы никогда не смогли пережить».
Технология, которую можно пощупать
В бытовой электронике тактильная обратная связь должна выглядеть убедительно для пользователя и не противоречить самому характеру устройства. Чувство прикосновения делится на две категории — это тактильные ощущения через поверхность кожи (так мы ощущаем пупырчатую фактуру баскетбольного мяча) или более глубокие кинестетические импульсы, поступающие от мускулов и сухожилий (так воспринимается удар по бейсбольному мячу, когда бита у нас в руках). Уже есть такое снаряжение для видеоигр (например, куртка TN Games 3rd Space и шлем HXT), где ощущения второго рода имитируются встроенным воздушным компрессором — когда летящая из экрана пуля попадает в игрока, он для убедительности получает в голову воздушный импульс под давлением в пару атмосфер. Впрочем, современные исследования в этой области сосредоточены на том, как убедить пальцы, прикасающиеся к сенсорному экрану, в наличии кнопок, которых на самом деле нет.