Un dispositif de rendu électrotactile portable haute résolution qui virtualise le sens du toucher

Une équipe de recherche collaborative co-dirigée par la City University of Hong Kong (CityU) a développé un système de rendu tactile portable, qui peut imiter la sensation du toucher avec une résolution spatiale élevée et un taux de réponse rapide.

L’équipe a démontré son potentiel d’application dans un afficheur braille, ajoutant le sens du toucher dans le métaverse pour des fonctions telles que les achats et les jeux en réalité virtuelle, et facilitant potentiellement le travail des astronautes, des plongeurs en haute mer et d’autres personnes qui doivent porter des gants épais.

“Nous pouvons entendre et voir nos familles sur de longues distances via des téléphones et des caméras, mais nous ne pouvons toujours pas les sentir ni les étreindre. Nous sommes physiquement isolés par l’espace et le temps, en particulier pendant cette pandémie de longue durée”, a déclaré le Dr Yang Zhengbao, Professeur agrégé au Département de génie mécanique de CityU, qui a co-dirigé l’étude.

“Bien qu’il y ait eu de grands progrès dans le développement de capteurs qui capturent numériquement les caractéristiques tactiles avec une haute résolution et une haute sensibilité, nous manquons toujours d’un système capable de virtualiser efficacement le sens du toucher qui peut enregistrer et lire les sensations tactiles dans l’espace et dans le temps.”

En collaboration avec le laboratoire Robotics X du géant chinois de la technologie Tencent, l’équipe a développé un nouveau système de rendu électrotactile pour afficher diverses sensations tactiles avec une résolution spatiale élevée et un taux de réponse rapide. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue scientifique Avancées scientifiques.

Limites des techniques existantes

Les techniques existantes pour reproduire des stimuli tactiles peuvent être globalement classées en deux catégories : la stimulation mécanique et électrique. En appliquant une force mécanique ou une vibration localisée sur la peau, les actionneurs mécaniques peuvent provoquer des sensations tactiles stables et continues. Cependant, ils ont tendance à être encombrants, limitant la résolution spatiale lorsqu’ils sont intégrés dans un appareil portable ou portable.

Les stimulateurs électrotactiles, en revanche, qui évoquent des sensations tactiles dans la peau à l’emplacement de l’électrode en faisant passer un courant électrique local à travers la peau, peuvent être légers et flexibles tout en offrant une résolution plus élevée et une réponse plus rapide. Mais la plupart d’entre eux s’appuient sur des impulsions de courant continu (CC) à haute tension (jusqu’à des centaines de volts) pour pénétrer dans la couche cornée, la couche la plus externe de la peau, afin de stimuler les récepteurs et les nerfs, ce qui pose un problème de sécurité. De plus, la résolution du rendu tactile devait être améliorée.

Le dernier actionneur électro-tactile développé par l’équipe est très fin et flexible et peut être facilement intégré dans un doigtier. Cet appareil portable du bout des doigts peut afficher différentes sensations tactiles, telles que la pression, les vibrations et la rugosité de la texture en haute fidélité. Au lieu d’utiliser des impulsions CC, l’équipe a développé une stratégie de stimulation alternative à haute fréquence et a réussi à abaisser la tension de fonctionnement sous 30 V, garantissant ainsi un rendu tactile sûr et confortable.

Ils ont également proposé une nouvelle stratégie de super-résolution qui peut rendre la sensation tactile à des emplacements entre les électrodes physiques, au lieu de seulement aux emplacements des électrodes. Cela augmente la résolution spatiale de leurs stimulateurs de plus de trois fois (de 25 à 105 points), de sorte que l’utilisateur peut ressentir une perception tactile plus réaliste.

Stimuli tactiles à haute résolution spatiale

“Notre nouveau système peut susciter des stimuli tactiles avec une résolution spatiale élevée (76 points/cm²), similaire à la densité des récepteurs apparentés dans la peau humaine, et un taux de réponse rapide (4 kHz) », a déclaré M. Lin Weikang, étudiant au doctorat à CityU, qui a fabriqué et testé l’appareil.

L’équipe a effectué différents tests pour montrer les diverses possibilités d’application de ce nouveau système de rendu électrotactile portable. Par exemple, ils ont proposé une nouvelle stratégie braille beaucoup plus facile à apprendre pour les personnes ayant une déficience visuelle.

La stratégie proposée décompose l’alphabet et les chiffres numériques en traits individuels et dans l’ordre de la même manière qu’ils sont écrits. En portant le nouveau système de rendu électrotactile au bout du doigt, l’utilisateur peut reconnaître l’alphabet présenté en sentant la direction et la séquence des traits avec le capteur du bout du doigt.

“Ce serait particulièrement utile pour les personnes qui perdent la vue plus tard dans la vie, leur permettant de continuer à lire et à écrire en utilisant le même système alphabétique auquel ils sont habitués, sans avoir besoin d’apprendre tout le système de points braille”, a déclaré le Dr. Yang.

Activer le toucher dans le métaverse

Deuxièmement, le nouveau système est bien adapté aux applications et aux jeux VR/AR, ajoutant le sens du toucher au métaverse. Les électrodes peuvent être rendues très flexibles et évolutives pour couvrir de plus grandes surfaces, telles que la paume. L’équipe a démontré qu’un utilisateur peut virtuellement sentir la texture des vêtements dans une boutique de mode virtuelle. L’utilisateur ressent également une sensation de démangeaison au bout des doigts lorsqu’il est léché par un chat VR. Lorsqu’il caresse la fourrure d’un chat virtuel, l’utilisateur peut ressentir une variation de la rugosité lorsque les coups changent de direction et de vitesse.

Le système peut également être utile pour transmettre des détails tactiles fins à travers des gants épais. L’équipe a intégré avec succès les électrodes fines et légères du système de rendu électrotactile dans des capteurs tactiles flexibles sur un gant de sécurité. Le réseau de capteurs tactiles capture la répartition de la pression sur l’extérieur du gant et transmet l’information à l’utilisateur en temps réel grâce à une stimulation tactile.

Dans l’expérience, l’utilisateur a pu localiser rapidement et avec précision une minuscule rondelle en acier de seulement 1 mm de rayon et de 0,44 mm d’épaisseur sur la base du retour tactile du gant avec des capteurs et des stimulateurs. Cela montre le potentiel du système à permettre une perception tactile haute fidélité, qui n’est actuellement pas disponible pour les astronautes, les pompiers, les plongeurs en haute mer et d’autres personnes qui doivent porter des combinaisons ou des gants de protection épais.

« Nous nous attendons à ce que notre technologie profite à un large éventail d’applications, telles que la transmission d’informations, la formation chirurgicale, la téléopération et le divertissement multimédia », a ajouté le Dr Yang.