La tecnología háptica, el futuro de la robótica

Si pensaste que el iPhone de Apple era increíble, entonces regálate los ojos — y los dedos — con este teléfono de Samsung. Apodado el Anycall Haptic, el teléfono cuenta con una gran pantalla táctil como el iPhone. Pero hace que el revolucionario gadget de Apple sea mejor, al menos por ahora: Permite a los usuarios sentir chasquidos, vibraciones y otros estímulos táctiles. En total, proporciona al usuario 22 tipos de sensaciones táctiles.

Samsung Anycall Haptic

Esas sensaciones explican el uso del término háptico en el nombre. Háptico es del griego «haptesthai», que significa tocar. Como adjetivo, significa relacionado o basado en el sentido del tacto. Como sustantivo, usualmente usado en forma plural (háptica), significa la ciencia y fisiología del sentido del tacto. Los científicos han estudiado la háptica durante décadas y saben bastante sobre la biología del tacto. Saben, por ejemplo, qué tipo de receptores hay en la piel y cómo los nervios intercambian información entre el sistema nervioso central y el punto de contacto.

Desafortunadamente, los informáticos han tenido grandes dificultades para transferir esta comprensión básica del tacto a sus sistemas de realidad virtual. Las señales visuales y auditivas son fáciles de replicar en modelos generados por computadora, pero las señales táctiles son más problemáticas. Es casi imposible permitir que un usuario sienta que algo está sucediendo en la mente de la computadora a través de una interfaz típica. Claro, los teclados permiten a los usuarios escribir palabras, y los joysticks y los volantes pueden vibrar. Pero, ¿cómo puede un usuario tocar lo que hay dentro del mundo virtual? Por ejemplo, ¿cómo puede un jugador de videojuegos sentir el acero duro y frío del arma de su personaje? ¿Cómo puede un astronauta, entrenando en un simulador de computadora, sentir el peso y la textura áspera de una roca lunar virtual?

Desde la década de 1980, los informáticos han estado tratando de responder a estas preguntas. Su campo es un subconjunto especializado de háptica conocido como háptica informática. En las próximas páginas, cubriremos cómo funciona la tecnología háptica:

  • relacionar la háptica informática con los campos relacionados de la investigación háptica
  • caracterizar los tipos de retroalimentación háptica necesarios para un contacto virtual realista
  • examinar los sistemas hápticos en desarrollo o actualmente disponibles en el mercado
    explorar las aplicaciones actuales y potenciales

Por supuesto, el prometedor futuro de la háptica debe mucho a su historia. En la siguiente sección, examinaremos esta historia para entender que la háptica computacional cae en un continuo de investigación háptica.

Un poco de historia

Como campo de estudio, la háptica ha seguido de cerca el auge y la evolución de la automatización. Antes de la revolución industrial, los científicos se centraban en cómo los seres vivos experimentaban el contacto. Los biólogos aprendieron que incluso los organismos simples, como las medusas y los gusanos, poseían respuestas táctiles sofisticadas. A principios del siglo XX, psicólogos e investigadores médicos estudiaron activamente cómo los humanos experimentan el tacto. Apropiadamente, esta rama de la ciencia se conoció como háptica humana, y reveló que la mano humana, la estructura primaria asociada con el sentido del tacto, era extraordinariamente compleja.

Con 27 huesos y 40 músculos, incluyendo los músculos localizados en el antebrazo, la mano ofrece una destreza tremenda. Los científicos cuantifican esta destreza utilizando un concepto conocido como grados de libertad. Un grado de libertad es el movimiento que permite una sola articulación. Debido a que la mano humana contiene 22 articulaciones, permite el movimiento con 22 grados de libertad. La piel que cubre la mano también es rica en receptores y nervios, componentes del sistema nervioso que comunican las sensaciones táctiles al cerebro y a la médula espinal.

Luego vino el desarrollo de máquinas y robots. Estos dispositivos mecánicos también tenían que tocar y sentir su entorno, por lo que los investigadores comenzaron a estudiar cómo esta sensación podía ser transferida a las máquinas. La era de la máquina háptica había comenzado. Las primeras máquinas que permitieron la interacción háptica con objetos remotos fueron unas simples pinzas accionadas por palanca y por cable colocadas en el extremo de un poste. Moviendo, orientando y apretando una empuñadura de pistola, un trabajador podía controlar a distancia las pinzas, que podían utilizarse para agarrar, mover y manipular un objeto.

En la década de 1940, estos sistemas de manipulación remota relativamente toscos fueron mejorados para servir a las industrias de materiales nucleares y peligrosos. A través de una interfaz de máquina, los trabajadores pueden manipular sustancias tóxicas y peligrosas sin riesgo de exposición. Eventualmente, los científicos desarrollaron diseños que reemplazaron las conexiones mecánicas con motores y señales electrónicas. Esto hizo posible comunicar incluso las acciones sutiles de la mano a un manipulador remoto de forma más eficiente que nunca.

El siguiente gran avance llegó en la forma de la computadora electrónica. Al principio, los ordenadores se utilizaban para controlar máquinas en un entorno real (piense en el ordenador que controla un robot de fábrica en una planta de ensamblaje de automóviles). Pero en la década de 1980, las computadoras podían generar entornos virtuales, es decir, mundos tridimensionales en los que los usuarios podían ser introducidos. En estos primeros entornos virtuales, los usuarios sólo podían recibir estímulos a través de la vista y el oído. La interacción háptica con objetos simulados permanecería limitada durante muchos años.

Luego, en 1993, el Laboratorio de Inteligencia Artificial del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) construyó un dispositivo que proporcionaba estimulación háptica, haciendo finalmente posible tocar y sentir un objeto generado por computadora. Los científicos que trabajan en el proyecto comenzaron a describir su área de investigación como háptica informática para diferenciarla de la háptica mecánica y humana. Hoy en día, la háptica informática se define como los sistemas necesarios, tanto de hardware como de software, para reproducir el tacto y la sensación de los objetos virtuales. Se trata de un campo en rápido crecimiento que está produciendo una serie de tecnologías hápticas prometedoras.

Antes de examinar algunas de estas tecnologías con mayor detalle, veamos los tipos de sensaciones táctiles que un sistema háptico debe proporcionar para tener éxito.

Sensaciones táctiles que un sistema háptico debe proporcionar

Cuando usamos nuestras manos para explorar el mundo que nos rodea, recibimos dos tipos de retroalimentación: cinestética y táctil. Para entender la diferencia entre los dos, considere una mano que estira la mano, coge y explora una pelota de béisbol. A medida que la mano alcanza la pelota y ajusta su forma para agarrarla, se genera un conjunto único de datos que describen el ángulo de la articulación, la longitud del músculo y la tensión. Esta información es recolectada por un grupo especializado de receptores incrustados en músculos, tendones y articulaciones.

HIRO, un robot de interfaz háptica, ayuda al usuario a sentir un dinosaurio durante la exposición de robots prototipo en la Exposición Mundial de 2005 en Japón.

Conocidos como proprioceptores, estos receptores transportan señales al cerebro, donde son procesadas por la región somatosensorial de la corteza cerebral. El huso muscular es un tipo de propioceptor que proporciona información sobre los cambios en la longitud del músculo. El órgano del tendón de Golgi es otro tipo de propioceptor que proporciona información sobre los cambios en la tensión muscular. El cerebro procesa esta información kinestésica para proporcionar un sentido del tamaño y la forma gruesos del béisbol, así como su posición relativa a la mano, el brazo y el cuerpo.

Cuando los dedos tocan la pelota, se produce un contacto entre las yemas de los dedos y la superficie de la pelota. Cada yema de dedo es una estructura sensorial compleja que contiene receptores tanto en la piel como en el tejido subyacente. Hay muchos tipos de estos receptores, uno para cada tipo de estímulo: tacto ligero, tacto fuerte, presión, vibración y dolor. Los datos que provienen colectivamente de estos receptores ayudan al cerebro a comprender detalles táctiles sutiles sobre la pelota. A medida que los dedos exploran, sienten la textura más lisa del cuero, la mayor tosquedad de los cordones y la dureza de la pelota a medida que se aplica la fuerza. Incluso las propiedades térmicas de la pelota se detectan a través de receptores táctiles.

La retroalimentación de fuerza es un término que a menudo se utiliza para describir la retroalimentación táctil y/o kinestésica. Como ilustra nuestro ejemplo de béisbol, la retroalimentación de fuerza es enormemente compleja. Sin embargo, si una persona va a sentir un objeto virtual con fidelidad, la retroalimentación de la fuerza es exactamente el tipo de información que la persona debe recibir. Los informáticos comenzaron a trabajar en dispositivos, dispositivos de interfaz háptica, que permitirían a los usuarios sentir objetos virtuales a través de la retroalimentación de la fuerza. Los primeros intentos no tuvieron éxito. Pero como veremos en la siguiente sección, una nueva generación de dispositivos de interfaz háptica está ofreciendo un nivel insuperable de rendimiento, fidelidad y facilidad de uso.

Aunque muchos jugadores de videojuegos no conocen la tecnología háptica por su nombre, probablemente saben lo que es Force Feedback, que se ha comercializado por su nombre en los mandos de los juegos durante años.

Sistemas Hápticos

Existen varios enfoques para crear sistemas hápticos. Aunque pueden parecer drásticamente diferentes, todos ellos tienen dos cosas importantes en común: el software para determinar las fuerzas que resultan cuando la identidad virtual de un usuario interactúa con un objeto y un dispositivo a través del cual esas fuerzas pueden ser aplicadas al usuario. El proceso real utilizado por el software para realizar sus cálculos se denomina renderizado háptico. Un método de representación común utiliza modelos poliédricos para representar objetos en el mundo virtual. Estos modelos tridimensionales pueden representar con precisión una variedad de formas y pueden calcular datos táctiles evaluando cómo interactúan las líneas de fuerza con las distintas caras del objeto. Estos objetos tridimensionales se pueden hacer sentir sólidos y pueden tener una textura superficial.

La tarea de transmitir imágenes hápticas al usuario recae en el dispositivo de interfaz. En muchos aspectos, el dispositivo de interfaz es análogo a un ratón, excepto que un ratón es un dispositivo pasivo que no puede comunicar ningún dato háptico sintetizado al usuario. Veamos algunos sistemas hápticos específicos para entender cómo funcionan estos dispositivos.

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  • La interfaz PHANTOM® de SensAble Technologies fue uno de los primeros sistemas hápticos comercializados. Su éxito radica en su simplicidad. En lugar de intentar mostrar información de muchos puntos diferentes, este dispositivo táctil simula tocar en un solo punto de contacto. Esto se logra a través de un lápiz táctil que se conecta a un brazo en forma de lámpara. Tres pequeños motores proporcionan una retroalimentación de fuerza al usuario ejerciendo presión sobre el palpador. Así, el usuario puede sentir la elasticidad de un globo virtual o la solidez de una pared de ladrillo. También puede sentir la textura, la temperatura y el peso. El lápiz táctil se puede personalizar para que se parezca mucho a cualquier objeto. Por ejemplo, se puede equipar con una jeringa para simular lo que se siente al perforar la piel y los músculos cuando se aplica una inyección.
  • El sistema CyberGrasp, otra interfaz háptica disponible comercialmente de Immersion Corporation, adopta un enfoque diferente. Este dispositivo se ajusta sobre toda la mano del usuario como un exoesqueleto y añade retroalimentación de fuerza resistiva a cada dedo. Cinco actuadores producen las fuerzas, que se transmiten a través de los tendones que conectan las puntas de los dedos con el exoesqueleto. Con el sistema CyberGrasp, los usuarios pueden sentir el tamaño y la forma de objetos virtuales que sólo existen en un mundo generado por ordenador. Para asegurarse de que los dedos de un usuario no penetren o aplasten un objeto sólido virtual, los actuadores pueden programarse individualmente para que coincidan con las propiedades físicas del objeto.
  • Los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon están experimentando con una interfaz háptica que no depende de dispositivos de conexión o de cable accionados. En cambio, su interfaz utiliza un potente electroimán para levitar un mango que se parece un poco a un joystick. El usuario manipula el mango de la herramienta levitada para interactuar con entornos computarizados. A medida que se mueve y gira el mango, puede sentir el movimiento, la forma, la resistencia y la textura de la superficie de los objetos simulados. Esta es una de las grandes ventajas de una tecnología basada en la levitación: Reduce la fricción y otras interferencias para que el usuario experimente menos distracción y permanezca inmerso en el entorno virtual. También permite un movimiento restringido en seis grados de libertad (en comparación con la interfaz Phantom de nivel básico, que sólo permite tres grados de libertad activa). La única desventaja de la interfaz háptica de levitación magnética es su huella. Se requiere un gabinete completo para alojar el dispositivo maglev, las fuentes de alimentación, los amplificadores y los procesadores de control. El mango del usuario sobresale de un recipiente incrustado en la parte superior del armario.

Como puede imaginar, los sistemas como los que hemos descrito aquí pueden ser bastante caros. Esto significa que las aplicaciones de la tecnología todavía están limitadas a ciertas industrias y tipos de formación especializada. En la siguiente página, exploraremos algunas de las aplicaciones de la tecnología háptica.

Aplicaciones de la tecnología háptica

No es difícil pensar en formas de aplicar la háptica. Los creadores de videojuegos han sido los primeros en adoptar la háptica pasiva, que aprovecha los joysticks vibratorios, los controladores y los volantes para reforzar la actividad en pantalla. Pero los futuros videojuegos permitirán a los jugadores sentir y manipular sólidos, fluidos, herramientas y avatares virtuales. El controlador háptico Novint Falcon ya está haciendo realidad esta promesa. El controlador de retroalimentación de fuerza 3-D le permite diferenciar entre un informe de pistola y un disparo de escopeta, o sentir la resistencia de la cuerda de un arco largo mientras tira de una flecha hacia atrás.

Las interfaces gráficas de usuario, como las que definen los entornos operativos Windows y Mac, también se beneficiarán en gran medida de las interacciones hápticas. Imagine poder sentir los botones gráficos y recibir retroalimentación de fuerza mientras presiona un botón. Algunos fabricantes de pantallas táctiles ya están experimentando con esta tecnología. Los diseñadores de teléfonos Nokia han perfeccionado una pantalla táctil táctil que hace que los botones en pantalla se comporten como si fueran botones reales. Cuando un usuario presiona el botón, siente que se mueve hacia adentro y hacia afuera. También oye un chasquido audible. Los ingenieros de Nokia lograron esto colocando dos pequeñas almohadillas de sensores piezoeléctricos debajo de la pantalla y diseñando la pantalla para que pudiera moverse ligeramente cuando se la presiona. Todo – movimiento y sonido – está perfectamente sincronizado para simular la manipulación real de los botones.

Aunque varias empresas se están uniendo a Novint y Nokia en el esfuerzo por incorporar interfaces hápticas a los productos principales, el coste sigue siendo un obstáculo. La tecnología táctil más sofisticada se encuentra en aplicaciones industriales, militares y médicas. El entrenamiento con háptica es cada vez más común. Por ejemplo, los estudiantes de medicina pueden ahora perfeccionar técnicas quirúrgicas delicadas en la computadora, sintiendo lo que es suturar vasos sanguíneos en una anastomosis o inyectar BOTOX en el tejido muscular de una cara virtual. Los mecánicos de aeronaves pueden trabajar con piezas complejas y procedimientos de servicio, tocando todo lo que ven en la pantalla del ordenador. Y los soldados pueden prepararse para la batalla de varias maneras, desde aprender a desactivar una bomba hasta operar un helicóptero, un tanque o un avión de combate en escenarios de combate virtual.

La tecnología háptica también se utiliza ampliamente en teleoperación o telerobótica. En un sistema telerobótico, un operador humano controla los movimientos de un robot que se encuentra a cierta distancia. Algunos robots teleoperados se limitan a tareas muy sencillas, como apuntar con una cámara y devolver imágenes visuales. En una forma más sofisticada de teleoperación conocida como telepresencia, el operador humano tiene la sensación de estar ubicado en el entorno del robot. Haptics ahora hace posible incluir señales táctiles además de las señales de audio y visuales en los modelos de telepresencia. No pasará mucho tiempo antes de que los astrónomos y los científicos del planeta realmente sostengan y manipulen una roca marciana a través de un telerobot con tecnología háptica avanzada, una versión táctil del Rover de Exploración de Marte.

Finalmente, echaremos un vistazo a cómo la tecnología háptica ha ganado en importancia y se está convirtiendo en esencial en algunas aplicaciones.

Ayudando a los ciegos a sentir una ciudad

Los informáticos en Grecia están incorporando la tecnología háptica en los mapas táctiles para ciegos. Para crear un mapa, los investigadores graban un vídeo de un lugar del mundo real, ya sea un modelo arquitectónico de un edificio o una manzana de la ciudad.

El software evalúa el vídeo fotograma a fotograma para determinar la forma y la ubicación de cada objeto. Los datos dan como resultado una cuadrícula tridimensional de campos de fuerza para cada estructura.

Utilizando un dispositivo de interfaz háptica, una persona ciega puede sentir estas fuerzas y, junto con las señales de audio, obtener una idea mucho mejor de la disposición de una ciudad o un edificio.

El Omni®, el dispositivo básico de la línea PHANTOM de SensAble Technologies

La importancia de la tecnología háptica

En los videojuegos, la adición de capacidades hápticas es agradable de tener. Aumenta la realidad del juego y, en consecuencia, la satisfacción del usuario. Pero en la formación y otras aplicaciones, las interfaces hápticas son vitales. Esto se debe a que el sentido del tacto transmite información rica y detallada sobre un objeto. Cuando se combina con otros sentidos, especialmente la vista, el tacto aumenta drásticamente la cantidad de información que se envía al cerebro para su procesamiento. El aumento de la información reduce el error del usuario, así como el tiempo que tarda en completar una tarea. También reduce el consumo de energía y las magnitudes de las fuerzas de contacto utilizadas en una situación de teleoperación.

Claramente, Samsung espera capitalizar algunos de estos beneficios con la introducción del teléfono Anycall Haptic. Nokia empujará el sobre aún más lejos cuando introduzca teléfonos con pantallas táctiles táctiles. Sí, esos teléfonos serán geniales de ver. Y, sí, estarán fríos al tacto. Pero también serán más fáciles de usar, ya que las funciones táctiles permiten reducir los errores de entrada y, en general, ofrecer una experiencia más satisfactoria.

Aprendizaje háptico: La nueva generación de productos prácticos

A los profesores se les asigna a menudo la tarea de evaluar los estilos de aprendizaje de sus alumnos para que puedan adaptar sus métodos de enseñanza en consecuencia. Un estilo de aprendizaje es la manera en que una persona aprende mejor.

Aunque hay muchos modelos de estilo de aprendizaje, un modelo popular se basa en la información sensorial. En este modelo, hay tres estilos básicos de aprendizaje: auditivo, visual y kinestésico. La mayoría de los estudiantes aprenden mejor a través de uno de estos tres modos, aunque algunos son multimodales, lo que significa que tienen más de una fuerte preferencia de aprendizaje.

La investigación está demostrando que incluso los estudiantes auditivos y visuales se benefician enormemente de las actividades que involucran el sentido del tacto. En un estudio, los estudiantes de secundaria y preparatoria desarrollaron actitudes más positivas sobre la ciencia y lograron una comprensión más profunda de los conceptos clave cuando utilizan técnicas de aprendizaje háptico.

Sobre la base de este y otros estudios similares, los profesores de ciencias en particular se sienten atraídos por la háptica. Muchos están utilizando la tecnología para ayudar a los estudiantes a interactuar con objetos, como virus o nanopartículas, que de otro modo serían demasiado pequeños para ser tocados o vistos. Otros están permitiendo a sus estudiantes probar las representaciones tridimensionales de las células. Y aún otros están usando dispositivos de retroalimentación háptica para enseñar a los estudiantes sobre fuerzas invisibles como la gravedad y la fricción de manera más completa.

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