Haptica es el estudio de como combinar el sentido humano del tacto con un mundo generado por computadora. Un problema con los sistemas actuales de realidad virtual es la falta de estímulos para el sentido del tacto. Por ejemplo, si un usuario trata de tomar una copa virtual no hay una manera no visual para informarle al usuario que la copa está en contacto con la mano virtual del usuario. También, no hay un mecanismo para no permitir a la mano virtual traspasar la copa [8]. La investigación haptica intenta resolver estos problemas y puede ser subdividida dentro de dos subcampos, retroalimentación de fuerza (kinestética) y retroalimentación táctil.
La retroalimentación de fuerza es el área de la haptica que trata con dispositivos que interactúan con músculos y tendones, y dan al humano una sensación de que se aplica una fuerza. Estos dispositivos principalmente consisten de robots manipuladores que proporcionan una reacción de fuerza al usuario con fuerzas correspondientes al ambiente virtual en el que está el órgano terminal.
La retroalimentación táctil trata con dispositivos que interactúan con los nervios terminales en la piel los cuales indican la presencia de calor, presión y textura. Estos dispositivos típicamente han sido usados para indicar si el usuario está en contacto con un objeto virtual. Otros dispositivos de retroalimentación táctil han sido utilizados para estimular la textura de un objeto virtual.
Ivan Sutherland, uno de los padres fundadores de la realidad virtual, sugirió que el "sentido humano kinestético es como otro canal independiente al cerebro, un canal cuya información es asimilada de una manera bastante subconsciente" [2]. Esta y otras afirmaciones condujeron a los investigadores a desarrollar interfaces hapticas. Añadiendo un canal de entrada independiente, la cantidad de información que es procesada por el cerebro es aumentada. El aumento en la información reduce el error y el tiempo tomado para completar una tarea. También reduce el consumo de energía y la magnitud de las fuerzas de contacto usadas en una situación de teleoperación [12, 13].
Los humanos usan sus manos para explorar ambientes que tienen pobre o nada de visibilidad. Por ejemplo, los buceadores en agua obscura usan sus sentidos hapticos en sustitución de sus sentidos visuales, con poca perdida reflejada en su desempeño. Los humanos son muy buenos para identificar objetos tridimensionales colocados en sus manos, pero no son capaces de identificar objetos en dos dimensiones [5]. No obstante no hábiles en la búsqueda en el espacio de dos dimensiones, los humanos tienen maneras particulares de explorar tales espacios. En la exploración en dos dimensiones, tal como la de superficies levantadas sobre un plano, los humanos usamos un conjunto de procedimientos como fue observado por Lederman, Klatzky y Balakrishnan [11]. Sus investigaciones describen como los humanos recogen información acerca de una superficie de dos dimensiones. Esto usualmente sucede primero identificando una esquina y entonces siguiendo un contorno [11].
Los despliegues hapticos por si solos son casi inútiles, pero cuando ellos son usados en combinación con un despliegue visual, ellos pueden ser mas útiles que un despliegue estereoscópico o un despliegue con múltiples puntos de vista [2]. Batter y Brooks [1] hicieron un experimento para probar que las interfaces hapticas realmente afectaron lo bien que un usuario pudo aprender del sistema. Ellos experimentaron con varios grupos de una clase de Física en donde estaban aprendiendo campos electrostáticos. Al grupo experimental (grupo piloto) de la clase se le permitió usar un dispositivo de retroalimentación de fuerza en el ejercicio de laboratorio mientras que al grupo de control no se le permitió. El grupo experimental tuvo un mejor desempeño que el grupo de control debido a su acceso al despliegue haptico en su trabajo de laboratorio [1].
Anatomía y Fisiología
Para diseñar correctamente una interfaz haptica para un humano, la anatomía y la fisiología del cuerpo deben de ser tomadas en consideración. En la retroalimentación de fuerza, las proporciones y fuerzas del promedio de las articulaciones deben ser consideradas. Ya que las manos son lo mas frecuentemente usado en las interfaces hapticas, las propiedades de la mano deben ser consideradas cuando diseñamos una nueva interfaz. En la retroalimentación táctil, la interfaz debe seguir varias variables del sentido humano del tacto. Los dedos son una de las partes mas sensitivas de la piel, teniendo hasta un máximo de 135 sensores por centímetro cuadrado en la yema de un dedo [3]. También, el dedo es sensitivo hasta 10,000 Hertz de vibraciones cuando siente texturas y es más sensitivo a 230 Hertz. Los dedos también no pueden distinguir entre dos señales de fuerzas arriba de 320 Hertz; ellas solo son sentidas como vibraciones. Las fuerzas sobre dedos individuales deberían de ser menos de 30-50 N en total. Para el "usuario promedio", el dedo índice puede ejercer 7 N, el dedo medio 6 N y el dedo anular 4.5 N sin experimentar molestia o fatiga [3].
A los humanos les gusta determinar si una fuerza es real o simulada. En un experimento conducido por Edin y otros [7], un dispositivo fue usado para determinar como los humanos reaccionaban cuando ellos sentían que un objeto que ellos sostenían se empezaba a deslizar. El dispositivo consistió de un solenoide pegado a una placa de metal la cual se podía deslizar cuando el solenoide estaba apagado. Ninguno de los sujetos fue "engañado" con la creencia que los objetos se estaban realmente deslizando. Todos ellos notaron que "algo estaba equivocado con el objeto", pero ninguno comentó que el objeto se comporto como si se estuviera deslizando.
Estudios muestran que hay una fuerte relación entre las sensaciones sentidas por una mano humana, tal como un objeto deslizándose, y los movimientos que la mano estaba haciendo para adquirir ese conocimiento, tal como sostener un aparato experimental [14]. El sistema humano haptico está construido de dos subsistemas, el subsistema motor y el subsistema sensorial. Hay una fuerte relación entre los dos sistemas. A diferencia del sistema visual, no es solamente importante lo que el sistema sensorial detecta sino que movimientos fueron usados para obtener esa información.
Los humanos usan dos diferentes formas de exploración haptica: la activa y la pasiva. La exploración haptica activa es cuando el usuario controla sus propias acciones. La exploración haptica pasiva es cuando la mano o el dedo del usuario es guiado por otra persona. Cuando el usuario está en control frecuentemente hace errores. En el caso de exploración en dos dimensiones el error más común es perder el contorno y el usuario debe gastar una gran cantidad de esfuerzo para permanecer en el contorno. Sin embargo, cuando el sujeto es guiado, su atención completa puede ser dedicada a identificar el objeto representado.
Muchas formas pueden ser identificadas mas rápidamente con exploración haptica pasiva. Experimentos comparando la exactitud de las estimulaciones táctiles activas contra las pasivas muestran que las hapticas pasivas son más exactas en identificar formas como un todo. Cuando el dedo de un sujeto era guiado alrededor de un objeto de dos dimensiones, tal como el perfil de un cisne, ellos tuvieron mayor probabilidad de identificar el objeto. Algunos estudios sugieren que los observadores activos hacen "errores" con mayor distracción y pueden tener dificultad al diferenciar entre las trayectorias de exploración erróneas y correctas [10].
Cuando se es enfrentado a una tarea multidimensional, tal como mover un objeto en un espacio de tres dimensiones, estudios en la Universidad de Carolina del Norte en la ciudad de Chappel Hill han mostrado que los usuarios descomponen la tarea en una serie de problemas de una o dos dimensiones [2]. Ellos moverían un objeto en el plano x-y antes de moverlo a su posición final en la dirección z. Esta descomposición dimensional pudo ser debido al experimento particular, o pudo sostener una pista de cómo la gente piensa acerca de tareas multidimensionales.
Otro factor importante en sistemas de realidad virtual es la situación cuando una pista visual y una pista haptica están en contradicción. La pista visual típicamente se impone la pista haptica. Este hecho pudiera ayudar a resolver "el problema de la pared rígida" el cual es el siguiente. Es muy difícil crear una máquina que correctamente simulará el encuentro de un objeto virtual con un objeto duro no movible. Si al usuario se le presenta con una pista visual que le indica que el órgano terminal ha alcanzado una superficie dura, no obstante la interfaz haptica no reconoce la fuerza de una superficie dura y rígida, sino una aproximación lineal de la ley de Hooke, el usuario puede ser engañado pensando que la pared virtual era rígida.
Factores de Seguridad
Al intentar representar fuerzas físicas, los sistemas robóticos los cuales son más fuertes que las articulaciones de los dedos deben ser diseñados par tomar en cuenta las fuerzas de flexión y de extensión y la flexibilidad de las articulaciones humanas. Si una interfaz para el "usuario promedio" es considerada, debe ser recordado que el tamaño de la mano afecta la extensión de los dedos y el rango de flexión. Una mano que es más grande que la del "usuario promedio" no será capaz de flexionar su dedo como se diseño y pudiera ser lastimado por la interfaz [12, 13]. También, el usuario debe ser capaz de sobreponerse al sistema. Esto es debido a que el usuario debe sentir que él está en control y no puede ser lastimado por el dispositivo si este o su sistema de control debiera fallar [6]. Cuando la energía falla, el usuario no debiera esperar confinado en el dispositivo haptico hasta que sea rescatado por otra persona [3].
Computadoras para el Discapacitado y el Ciego
La investigación haptica puede beneficiar directamente a la comunidad ciega. Dando al ciego un canal de entrada adicional este incrementa grandemente la cantidad de información que puede ser adquirida. Mucha de la habilidad navegacional de la persona que no es ciega y la que es ciega son similares. Muchas pruebas realizadas con sujetos con los ojos vendados y ciegos revelan que no hay una diferencia significativa en la habilidad de los dos grupos para navegar. Por ejemplo, los grupos de sujetos con los ojos vendados y de ciegos caminaron a lo largo de los dos lados iguales de un triángulo isósceles y se les pidió regresar al origen. Ambos grupos fueron capaces de caminar la distancia correcta, pero a menudo en la dirección equivocada [10].
Otra similitud, aparte de la navegación sin marcas, es que los ciegos y no ciegos anduvieron de una manera similar cuando se enfrentaron a convertir descripciones de rutas dentro de comprensión espacial dibujando la ruta descrita. Esto sugiere que los individuos ciegos usan alguna forma de imagen mental. El uso de imagen mental es también demostrado cuando los niños ciegos son capaces de reconocer objetos a los cuales ellos nunca habían sido expuestos. Por ejemplo, los niños ciegos son capaces de reconocer modelos, o dibujos hechos de objetos tales como la luna, un cohete, o un aeroplano [10].
Sin embargo, los ciegos y los no ciegos procesan información de diferentes maneras. La mayoría de los no ciegos hacen representaciones visuales de la información que ellos adquieren. No obstante el ciego puede usar alguna forma de imagen mental, muchos no tienen una experiencia directa con una representación visual. Ya que mucho de su mundo es relacionado a través de sus sentidos hapticos, ellos se benefician del uso de instrumentos, tales como un bastón para navegar. Ellos son capaces de inferir información acerca de sus alrededores sin tener que recordar de memoria la longitud del bastón para determinar características de tamaño de su ambiente.
A través de las vibraciones en el bastón y la orientación de la muñeca, la gente ciega es capaz de relacionar sus ambientes tan bien que ellos pueden tirar una piedra y atinar a golpear un objeto que esta varios metros lejos [10].
Una ventaja que los ciegos tienen sobre los no ciegos es que ellos no tienen el problema de imágenes espejo dobladas que son 180 grados fuera de orientación. El ciego tiende a usar una orientación absoluta para los objetos. Es más fácil para individuos ciegos imaginar ambos el frente y el dorso de un arreglo espacial al mismo tiempo. Ellos son capaces de sobreimponer mentalmente dos imágenes de un mapa de la misma área con diferente información en cada uno, no obstante si ellos tienen diferentes orientaciones. Por ejemplo, ellos son capaces de sobreimponer un mapa de las rutas de tránsito público dentro de un mapa mental de calles de la misma área. No obstante si los dos mapas son presentados son de diferente escala y orientación ellos no tienen problema con la sobreimposición [10].
La porción de gente sorda y ciega de la población obtiene la mayoría de su información acerca de su mundo a través de sus sentidos hapticos. Ellos deben confiar en sus sentidos hapticos para todas sus formas de comunicación. Ellos han desarrollado un método de comunicación con individuos que hablan, a través de un método llamado Tadoma. El usuario Tadoma siente las vibraciones de la garganta y las posiciones de la cara y la quijada del que está hablando. Desafortunadamente, esto requiere años de entrenamiento y práctica y puede ser lento. No obstante los usuarios Tadoma altamente entrenados pueden comprender conversaciones a casi la velocidad de cómo escucha y comprende una gente normal, la mayoría de los usuarios Tadoma son mucho más lentos y la restricción adicional del usuario de tener que estar en contacto con el que habla se añade a los problemas asociados con el método Tadoma.
La mayoría de la gente sordo-ciega se comunica dando señales a un interprete no ciego y este a su vez deletrea con su dedo al individuo sordo-ciego. Es un proceso lento deletrear con el dedo oraciones largas y también es muy cansado para ambos, el intérprete y el sordo-ciego. La manera más rápida de comunicarse con una persona sorda y ciega parece ser la interfaz Braille. El individuo sordo-ciego lee lo que es tecleado por la persona con la que se comunica en el despliegue Braille, y contesta tecleando una respuesta la cual puede ser desplegada sobre un monitor.
Las interfaces hapticas que permiten a los individuos sordo-ciegos "escuchar" al mundo son pocas en número y la mayoría se basan solamente en la retroalimentación vibrotactilar. No obstante unos pocos combinan la kinestética y la retroalimentación táctil, todos estos dispositivos aun requieren muchas horas de entrenamiento para ser usados efectivamente [6]. Los dispositivos que utilizan ambos la estimulación kinestética y táctil trabajan sobre el principio de ser capaces de producir un amplio espectro de variaciones de frecuencia y amplitud.
El Tactuador, diseñado por Hong Tan y William Rawinowitz, combina grandes movimientos del dedo y pequeños movimientos vibracionales. Variando la razón y amplitud de la vibración, así como la vibración en tres dedos separadamente, varios modelos pueden ser reconocidos a una razón de 2-3 modelos por segundo para comprensión máxima [16].
Trabajo adicional está siendo planeado para relacionar sonidos fónicos a modelos de vibración los cuales pueden ser desplegados sobre el Tactuador. Usando modelos diferentes relacionados a sentidos hapticos, un método de sentir el lenguaje hablado puede ser establecido. Esto pudo conducir a un dispositivo que permitirá al discapacitado auditivo y al sordo-ciego comunicarse mas fácilmente con la comunidad auditiva sin la necesidad del traductor humano.
Las interfaces hapticas continuaran a estar centradas en las manos ya que la gente obtiene mas información de su alrededor con sus manos que con cualquier otra parte de su cuerpo. La búsqueda por un dispositivo de despliegue haptico barato, portátil y útil será larga y difícil, pero continuará por muchos años. Muchos investigadores están buscando una interfaz "natural", pero ya que hay una barrera física entre las capacidades sensor-motoras del humano y el mundo electrónico de las computadoras, no habrá un sistema natural hasta que ellos puedan usar una estimulación neuronal directa del cerebro. En vez de ello, algunos sugieren que la búsqueda debería de ser por un sistema intuitivo. Robert Stone enfatizó este punto estableciendo:
Cuando se crea una interfaz haptica, es importante llevar en mente en lo que se va a usar. Si no va a ser usada en una manera intuitiva al operador, puede causar problemas aunque el usuario sea entrenado para su uso. En tiempos de estrés, excitación o fatiga, la gente olvida mucho de lo entrenado y hace lo que le viene naturalmente. Entonces, si una interfaz haptica no está siendo usada de una manera intuitiva el operador puede mal usar la interfaz haciendo algo que es natural para él.
El estudio de la haptica es la clave para resolver los problemas de interfaz con la computadora. La haptica permite una manera intuitiva favorable para que el usuario logre introducir información dentro de la computadora, y para que la computadora despliegue información de un mundo virtual. La investigación en esta área puede ayudar a habilitar a aquellos, quienes han sido incapaces de usar una computadora en su máxima capacidad, para sobrellevar una limitación física y puede habilitar a los usuarios para explorar objetos y lugares que han sido inaccesibles bajo circunstancias normales.
Referencias