16 October 2018

Handschoen laat drager voorwerpen voelen in virtual reality

Zwitserse ingenieurs hebben een lichtgewicht handschoen ontwikkeld die de drager krachtterugkoppeling (force feedback) geeft als zij in virtual reality een voorwerp aanraakt of vastpakt.

Virtual reality (VR) kan alleen breed doorbreken als er apparaten zijn om virtuele voorwerpen echt mee te kunnen voelen. Als je een VR-bril op hebt, wil je de objecten die je ziet kunnen voelen, anders blijft die virtuele wereld nep.

Daarom werken werktuigbouwkundigen en wetenschappers aan apparaten die subtiele krachten op hand en vingers uitoefenen. Alleen zijn die apparaten tot nu toe best groot; zie bijvoorbeeld de foto hiernaast.

Lichtgewicht handschoen

Daar proberen wetenschappers en ingenieurs van de Zwitserse technische universiteiten EPFL en ETH wat aan te doen. Op een congres in Berlijn presenteren ze deze week een lichtgewicht (40 g) handschoen die twee vormen van krachtterugkoppeling (force feedback) geeft. In de eerste plaats geeft hij een tegenkracht als je virtuele voorwerpen vastpakt. Daardoor merk je dat je het voorwerp vast hebt.

Ten tweede zorgt de handschoen voor een trilling op de vingertoppen als je zo’n virtueel object aanraakt. Daarmee hebben de Zwitsers een flinke stap gemaakt met het lichter en draagbaar maken van zo’n VR-handschoen.

Elektrostatische rem

Een belangrijke rol is weggelegd voor de zogeheten elektrostatische rem (electrostatic clutch), die op de wijsvinger en de duim zit. Dit is een lichtgewicht en energiezuinige manier om een grijpbeweging af te remmen.

De elektrostatische rem die de Zwitsers gebruiken, bestaat uit twee dunne en buigzame metalen strips van 18 cm lang met een dunne laag ertussen die geen stroom geleidt. Staat hij ‘uit’, dan kunnen de metalen strips vrij ten opzichte van elkaar verschuiven. Zet je nu een elektrische spanning op de metalen strips, dan zorgen elektrostatische krachten ervoor dat ze naar elkaar toe willen bewegen, en drukken ze samen dus op het isolerende stripje, waardoor de rem in werking treedt. Nu kan de duim of wijsvinger niet verder buigen; in de virtuele omgeving heb je nu een voorwerp vast. Met de rem erop oefent het ding een kracht uit van 20 N. Meer technische details zijn te lezen in het paper (pdf-bestand) dat de onderzoekers schreven voor het congres UIST dat momenteel in Berlijn bezig is.

Vingertoppen

De tweede vorm van terugkoppeling zit op de vingertoppen. Als je in virtual reality met je ‘vingers’ tegen een voorwerp aankomt, dan krijg je met deze handschoen een tinteling in de betreffende vingertop. Dat gevoel komt van een klein, trillend piëzoelektrisch elementje (van een materiaal dat vervormt als er een elektrische spanning op staat).

De onderzoekers hebben al deze elementen samengebracht in een handschoen van nylon. De metalen strips worden op hun plaats gehouden door zwarte geleiders die uit de 3D-printer komen. Dankzij deze losse geleiders is het systeem op elke hand, groot en klein, te passen.

Eerste tests

Vrijwilligers hebben met de VR-handschoen al succesvol de eerste tests uitgevoerd. Daaruit blijkt dat de handschoen er voor zorgt dat zij voorwerpen in VR-nauwkeuriger kunnen draaien en verplaatsen dan tot nu toe het geval was. Hier betaalt zich al direct uit dat de handschoen licht is en gemakkelijk te vervormen.

De elektronische componenten krijgen hun stroom nu nog via een kabeltje uit een externe voedingsbron, maar dat wordt binnenkort vervangen door een batterij. Veel vermogen hoeft daar niet uit te komen. De elektrostatische rem gebruikt maar een paar milliwatt en de piëzoelektrische elementen vermoedelijk nog minder.

Er staan nu uitgebreidere proeven op de rol met vrijwilligers, om te kijken of die een realistische ervaring hebben in een virtual reality-omgeving. Daarna gaan de onderzoekers het systeem van de handschoen toepassen op andere lichaamsdelen.

Gamers

En wie gaat de apparaten dan gebruiken? ‘Gamers zijn de grootste markt om mee te beginnen. Maar je kunt aan talloze toepassingen denken, vooral in de zorg. Bijvoorbeeld voor het trainen van chirurgen’, zegt hoogleraar Herbert Shea, hoofd van het Soft Transducers Lab van EPFL, in het persbericht. ‘Je kunt de handschoen trouwens ook in augmented reality gebruiken.’