Futuro de Interfaces Naturales
Tesis de Grado
Universidad Católica de Salta
Facultad de Ingeniería
Tesista: Diego Rubén Arias
Legajo:15068
Director: Ing. Rubén Fusario
Tutor: Ing. Gabriel V. Lopez
Fecha estimada de entrega: Diciembre 2008
Resumen
La mayoría de simulaciones realizadas hasta el momento en entornos virtuales involucraban exclusivamente la vista y el oído, pero la creciente necesidad de una mayor fidelidad en las representaciones obtenidas, y sobre todo, de incrementar la sensación de inmersión del usuario dentro del entorno virtual, exige una componente de interactividad que solamente puede alcanzarse mediante dispositivos de tipo háptico. Los interfaces hápticos permiten al usuario tocar, sentir y manipular los objetos simulados en entornos virtuales y sistemas teleoperados.
En base a las principales características de los interfaces hápticos, se ha realizado una
clasificación de los mismos, estructurada de modo que pueda servir al diseñador como
herramienta en la elección del interface que se muestre más adecuado para la tarea a
desempeñar. Finalmente, se indican las direcciones futuras de las distintas líneas de
investigación que se han abierto dentro de este campo.
Abstract
Up to now, most virtual simulations were exclusively linked to sight and hearing. However,
our eagerness to reach a higher closeness to reality in these simulacra and so offer a total
inmersion experience to users demands the introduction of an interactive component that can only be reached at by introducing certain devices providing a haptic feedback. Our main aim within this article is to touch upon the main advantages of haptic interfaces in relation to virtual settings and teleoperated systems.
We will also create a classification of the aforementioned interfaces according to their main features, so that this structure may function as a helpful tool for designers whenever choosing the best interface types suiting those tasks that they may be especially interested in. Finally, we will point at the newest research tendencies dealing with these fields.
INDICE
1 Introducción
1.1 Clasificación de los Interfaces Hápticos
1.2 Principales Dispositivos Comerciales
1.3 Direcciones Futuras
2 Proyectos en proceso
2.1 Magnetic Levitation Haptic Consortium
2.2 Sistema de Telemanipulación
2.2.1 Motivación
2.2.2 Cálculo de parámetros
3 Proyectos para suplir limitaciones físicas
3.1 Aprovechar la percepción tactil
3.2 Historia y antecedentes (VIDEOTACT)
3.3 Previsión de desarrollo
3.4 Importantes logros y características de Videotact
4 Simuladores
4.1 Simulador Quirúrjico (ProMIS)
4.2 Interfaces Enactive
4.2.1 Conocimiento enactivo
4.2.2 Reunión de disciplinas
4.2.3 Carpintería virtual
4.2.4 Origen háptico
5 Cybertarapia
5.1 Motivación
5.2 Proyectos
5.2.1 Virtual Reality Therapy
5.2.2 Transcranial Magnetic Stimulation
5.3 Tecnologías
6 Conclusiones y estado del arte
6.1 Sensaciones y sentimientos. La nueva era que se avecina.
Capitulo 1 - Introducción
Con el término “interface háptico” aludimos a aquellos dispositivos que permiten al usuario tocar, sentir o manipular objetos simulados en entornos virtuales y sistemas teleoperados. En la mayoría de simulaciones realizadas en entornos virtuales, basta con emplear displays 3D y dispositivos de sonido 3D estereo para provocar en el usuario, mediante imágenes y sonidos, la sensación de inmersión dentro del espacio virtual. No obstante, además de provocar en el usuario esta sensación de inmersión, debemos proporcionarle la posibilidad de interactuar con el medio virtual, pudiendo establecer entre el usuario y el entorno virtual una transferencia bidireccional y en tiempo real de información mediante el empleo de interfaces de tipo háptico.
Algunos de los principales campos de aplicación de los interfaces hápticos son:
Medicina: Simuladores quirúrgicos para entrenamiento médico, micro robots para cirugía mínimamente invasiva (MIS), etc. [Whitworth 2003],[Yoon J. 2003],[Lewis J.2003].
Educacional: Proporcionando a los estudiantes la posibilidad de experimentar fenómenos a escalas nano y macro, escalas astronómicas, como entrenamiento para técnicos, etc.
Entretenimiento: Juegos de video y simuladores que permiten al usuario sentir y manipular objetos virtuales, etc.
Industria: Integración de interfaces hápticos en los sistemas CAD de tal forma que el usuario puede manipular libremente los componentes de un conjunto en un entorno inmersivo.
Artes gráficas: Exhibiciones virtuales de arte, museos, escultura virtual etc.
La importancia de los interfaces hápticos es determinante en la realización de tareas típicamente “hápticas”, o en las que se requiera un alto grado de entrenamiento, como pueden ser:
Administración de anestesia epidural, palpado de bultos cancerígenos, ensamblaje de conjuntos complejos antes de ser fabricados, etc. Ayudan a su vez, a incrementar la sensación de presencia o inmersión del usuario dentro de un entorno simulado, proporcionando restricciones naturales al movimiento de objetos.
1-1 Clasificación de los Interfaces Hápticos: Comparativa entre Características del Hardware para la Selección de Interfaces Hápticos
Según [Burdea 1996] los interfaces hápticos pueden clasificarse en tres grandes grupos, según proporcionen: feedback de fuerza, feedback táctil, o feedback propioreceptivo. Cada uno de ellos aportará al usuario información referente a un determinado campo, siendo clave la selección del tipo de interface que necesitaremos, en función de las características que deseamos controlar en nuestra aplicación. Los interfaces que proporcionan force feedback aportan datos relacionados con la dureza, peso e inercia del objeto virtual. Los interfaces que proporcionan un feedback táctil nos permiten adquirir datos tales como la geometría del objeto virtual, su rugosidad y temperatura, entre otros. Por último, los interfaces que proporcionan feedback propioreceptivo nos dan información acerca de la posición del cuerpo del usuario o su postura.
A la hora de seleccionar un interface háptico para una determinada aplicación, debemos distinguir, en una primera etapa, que tipo de realimentación deseamos recibir, pudiendo elegir entre:
• Interfaces que proporcionen un feedback de fuerza.
Dispositivos Desk-top: permiten la interacción puntual con el objeto virtual a través de un terminal, materializado como un lápiz, dedo virtual o un joystick.
Guantes: permiten la manipulación “dexterizada” (en múltiples puntos de contacto) de objetos virtuales con retorno de fuerza.
• Interfaces que proporcionen un retorno táctil.
Dispositivos Desk-top: permiten al usuario sentir o percibir la dureza de una superficie, su rugosidad, seguir contornos lisos, o materiales elásticos en 2 dimensiones.
Guantes: permiten simular con libertad de movimiento el contacto en múltiples puntos con el objeto virtual, individuando su textura, pero no características tales como su peso.
En una segunda fase, debemos analizar las características técnicas de cada uno de los interfaces comerciales disponibles en el mercado, para seleccionar el más apropiado para nuestro objetivo.
Las principales especificaciones técnicas que debemos considerar son:
• Número de grados de libertad del dispositivo que requiera nuestra aplicación.
• Espacio de trabajo: la extensión del volumen dentro del cual el manipulador puede posicionar el elemento terminal.
• Rango de control de fuerza: los niveles máximo y sostenido de fuerza que puede ejercer el dispositivo. Según [Burdea 1996] los dedos de un humano pueden ejercer de 30 a 50 N de fuerza en periodos breves de tiempo y de 4 a 7 N en periodos sostenidos. Para que el confort del usuario u operador esté dentro de unos niveles de seguridad admisibles, las fuerzas ejercidas por el interface deben ser inferiores en un 15% a los valores máximos anteriormente citados. [Wiker entre ot 1989].
• Fricción aparente: las pérdidas por fricción en un interface háptico deben ser inferiores a la mínima fuerza o par que podamos percibir mientras interactuamos con el entorno virtual, ya que en caso contrario nuestro interface dejaría de ser “transparente”, pues no podríamos diferenciar si las fuerzas percibidas por el usuario provienen de la realimentación deseada o de las pérdidas mecánicas del dispositivo en sí. Los valores de fricción aparente deben mantenerse en valores por debajo del 7% de las fuerzas y del 12,7 % de los pares de fuerza aplicados en la interacción con el entorno virtual.
• Rigidez: La rigidez de un interface háptico se relaciona íntimamente con la habilidad del mismo para generar restricciones al movimiento del operador dentro del entorno virtual, impidiendo que se penetre dentro de los distintos sólidos virtuales, y permitiendo, de este modo, su inspección y manipulación. La rigidez máxima de un interface depende de la fuerza máxima que pueda desarrollar y del mínimo desplazamiento que detecte (N/m). Según [Massie & Salisbury 1994], en la práctica, un interface debe proporcionar una rigidez mínima de 20 N/m. para que el operador pueda recorrer adecuadamente una superficie virtual.
• Inercia aparente: la inercia aparente es la masa mínima percibida por el operador cuando mueve el interface háptico a través del espacio libre. En el caso de que la inercia aparente del dispositivo fuese demasiado alta, el operador podría fatigarse en exceso. Un estudio piloto [Ellis entre ot. 1996] indicaba que eran aceptables masas de 50g para operaciones que duraran media hora o menos, si bien estudios recientes recomiendan valores cercanos a 100g.
• Back-driveability: con este término se alude a la transparencia del interface, en tanto que no debe ejercerse ninguna fuerza sobre la mano del usuario mientras no exista interacción física con el entorno virtual. Esta capacidad del sistema para seguir el movimiento de la mano del usuario rápidamente y sin oposición recibe el nombre de back driveability.
• Rango dinámico: es el ratio entre el máximo valor de salida del actuador frente a la fricción del mecanismo.
• Ancho de banda: el ancho de banda de un dispositivo puede considerarse como una medida de su calidad, ya que cuanto mayor sea éste, menores serán los retardos en la transmisión de información, aumentando la estabilidad general del sistema.
Algunas de las variables usadas para caracterizar los interfaces force feedback deben utilizarse igualmente para seleccionar a los interfaces con feedback táctil, tales como: espacio de trabajo, grados de libertad, peso, o control del ancho de banda. De hecho, dispositivos con force feedback pueden también proporcionar un feedback táctil; por ejemplo, el Phantom permite individuar texturas del objeto virtual. El caso contrario no es posible.
1.2 Principales Dispositivos Comerciales
De entre los modelos de interfaces hápticos comerciales, fuera del ámbito exclusivo de la investigación, podemos destacar los siguientes:
Interfaces Hápticos Desktop Con Feedback De Fuerza
PHANTOM Sensable Techologies.
Actualmente se dispone de varios modelos de este interface, cuyo número de grados de libertad en posicionamiento varía desde 3 hasta 6, pudiendo recibir forcé feedback a lo largo de todos o algunos de estos grados de libertad. El espacio de trabajo de los distintos modelos varía considerablemente desde los modelos iniciales a los superiores. La fuerza máxima que puede proporcionar es de 22N en el modelo Premium 3.0 y la fuerza sostenida (24h.) es de 3N. Conforme avanzamos hacia modelos superiores, aumenta la inercia de los dispositivos, al tiempo que disminuye su rigidez. El Phantom renueva el estado de sus fuerzas cada milisegundo, y presenta una alta resolución posicional.
El modelo actualmente comercializado, el IMPULSE ENGINE 2000 posee 2 grados de libertad y un valor de fuerza máxima de aproximadamente 9 N. Su ancho de banda es de 650 Hz.
HAPTIC MASTER FCS Control System.
Consiste en un brazo robótico que puede usarse para medir dinámicamente fuerzas, como display de realidad virtual, y para teleasistencia quirúrgica.
FREEDOM 6S MPB Technologies:
Posee 6 GDL y un nivel de fricción de aproximadamente 0.1 N en cada dirección.
La inercia resultante en el extremo varía entre 0.09 y 0.15 Kg.
Guantes con feedback de fuerza.
CYBERGRASP Immersion Co.
El único guante háptico disponible comercialmente es el Cybergrasp, fabricado por Immersion Co. El Cybergrasp consiste en una estructura exoesquelética fijada a la parte posterior de la mano, que es accionada por unos actuadores instalados fuera de ésta, en una caja de control, con el objetivo de facilitar su manejo aligerando su peso, de aproximadamente 450 gr. La fuerza máxima que puede aplicar sobre cada dedo es de 12N.
Interfaces hápticos Desktop con feedback táctil.
A nivel comercial no se ha encontrado ningún ejemplo, si bien, como comentábamos en el punto anterior, un dispositivo con retorno de fuerza como el PHANTOM es capaz de proporcionar feedback de tipo táctil.
Guantes con feedback táctil.
CYBERTOUCH Immersion Co.
Estos guantes son mucho más ligeros que los que poseen force feedback y emplean normalmente vibradores electromecánicos para proporcionar datos de texturas o rugosidades. La colocación de los actuadores es más simple que en aquellos, lo que facilita su diseño, reduciendo a su vez su coste de producción.
El Cybertouch de Immersion Co. pesa solamente 144gr. Usa 6 vibradores electromecánicos situados en la parte posterior de los dedos y en la palma de la mano.
Estos actuadores producen vibraciones de 0-125Hz, alcanzando unos 1.2N de fuerza a
125Hz.
1.3 Direcciones Futuras
Las interfaces hápticas conforman un área de investigación íntimamente relacionada con el campo de la robótica. Los grandes avances registrados en este campo en las últimas décadas han impulsado el desarrollo de dispositivos que mejoran la comunicación hombre–máquina, facilitando la interacción entre ambos mediante la aplicación de sensaciones táctiles. La interacción háptica es un área de investigación relativamente nueva, dentro de la que varios grupos están desarrollando dispositivos que permiten al usuario la posibilidad de interacción física con un medio virtual o remoto.
Los interfaces con force feedback se encuentran en un estado bastante avanzado de desarrollo en comparación con los interfaces con retorno táctil, ya que los primeros se vieron beneficiados por los avances realizados en el campo de la telerrobótica; queda sin embargo, en ambos casos, un amplio campo por explorar. Prueba del grado de desarrollo de los interfaces con force feedback es que existen varios interfaces de tipo comercial, si bien cada uno de ellos ha sido proyectado para aplicaciones muy concretas, y proporcionan unas características de difícil aplicación fuera de dichas aplicaciones. Por otra parte, estos sistemas, a excepción si cabe del PHANTOM, son todavía muy costosos, y los plazos de suministro de los mismos son excesivamente largos.
Las limitaciones del hardware de los interfaces reducen la fidelidad con la que se puede simular la interacción con el mundo real; como por ejemplo: la precisión de los sensores, la capacidad de los actuadores, o la transparencia de la transmisión mecánica empleada. Otro punto a tener en cuenta es la variabilidad de las características del usuario, junto con las características de la interacción del mismo con el interface que pueden cambiar dinámicamente haciendo que nos encontremos ante un sistema no lineal. La seguridad es otro campo a tener en cuenta en la investigación, ya que debemos salvaguardar la seguridad del técnico ante un mal funcionamiento del computador o del dispositivo. Otro campo en el que se centran las últimas investigaciones es el desarrollo de una referencia de software para force feedback, ya que al tiempo que se evoluciona en el hardware, se tiene que desarrollar en paralelo un soporte de software, unos modelos que sepan tratar adecuadamente la computación de las fuerzas así como la generación de las mismas.
En relación a los interfaces táctiles, uno de los principales problemas que abordan los grupos de investigación en este campo, es que en general, estos interfaces proporcionan sensaciones en un área limitada, normalmente en el extremo de los dedos, por lo que se hacen necesarios estudios que identifiquen los tipos de feedback de tipo táctil para aplicaciones específicas y la tecnología más apropiada para manifestar este feedback.
Una prueba de la inmadurez de la tecnología de los interfaces hápticos táctiles es la ausencia de modelos generales de software que puedan ser usados para determinar las sensaciones que se generan con respecto a la interacción con el entorno, a excepción de las fuerzas de contacto, modelos para los cuales ya existen aplicaciones.
Otro punto a tener en cuenta es la falta de estudios relativos a las capacidades táctiles humanas, lo que permitiría adaptar los dispositivos, proporcionando unas prestaciones más adecuadas. La tecnología de los interfaces táctiles es una de las áreas de investigación más activas.
Capítulo 2 Proyectos en curso
2.1 Magnetic Levitation Haptic Consortium
Los dispositivos de levitación magnética permiten a los usuarios interactuar con los entornos mediante la manipulación de un mango que levita por medios magnéticos. Los usuarios pueden girar la manivela y accionar las fuerzas de sensación y pares de torsión del entorno virtual. Los motores, codificadores, los vínculos, engranajes, correas, cables, rodamientos y háptica de los dispositivos son simplemente en favor de una conexión directa electrodinámica para traducir la realizada por el usuario.
¿Por qué utilizar esos "exóticos" medios para facilitar la interacción háptica? hay varias ventajas, entre ellas:
• Única parte móvil con 6 grados de libertad
• Cero fricción estática
• Cero reacción mecánica
• Alta posición de fuerza y anchos de banda
• Alta resolución posición
• Baja percepción de la masa
Estas ventajas conducen a muy alta interacción háptica fidelidad. La principal desventaja es de por sí pequeño rango de movimiento, que se puede superar para muchas aplicaciones con la ampliación, indización, y control de la velocidad.
La levitación magnética para la interacción táctil con entornos virtuales y entornos remotos a través de teleoperación se ha llevado a cabo durante muchos años, principalmente gracias a los esfuerzos de Tim Salcudean del grupo en la Universidad de British Columbia, y Ralph Hollis Grupo de la Universidad Carnegie Mellon.
Varios dispositivos de levitación de Lorenz se han construido, incluida la Munéca Mágica de IBM, el UBC Maglev Joystick y la interfáz táctil CMU de levitación magnética. El dispositivo joystick UBC fue originalmente para ser comercializados. La CMU de IBM y los dispositivos se han operado continuamente desde 1998 y se utiliza en el laboratorio de Sistemas Microdynamic.( http://www.msl.ri.cmu.edu/projects/haptic/haptic_device.php)
Proporciona a bajo costo alta fidelidad háptica de levitación magnética a los investigadores que forman un gran equipo de investigación de subvención por re-ingeniería de nuestro viejo sistema de levitación magnética para proporcionar mucho más alto rendimiento y al mismo tiempo reducir drásticamente su costo.
El propósito del consorcio es fomentar una mayor utilización de esta tecnología para compartir experiencias de investigación y los resultados, para desarrollar y compartir la prestación táctil usando el software de dispositivos de levitación magnética háptica y de trabajar como una comunidad para aplicar el conocimiento desarrollado a importantes problemas.
2.2 Sistema de Telemanipulación
El sistema consta de varios componentes clave. El capitán es parte de la CyberGlove y CyberGrasp. El software personalizado para calibrar cada uno de los usuarios de la guantera se discute en el CyberGlove Calibración. Un método de transformación se ha desarrollado para generar el mapa de la mano en movimientoy traducirlo al movimiento robótico.
El esclavo consta de una mano robótica que se adjunta a un robot de nivel industrial actúa como brazo. El brazo robótico es controlado usando un operador del capitán
Nuestro sistema de telemanipulation utiliza el CyberGlove de Inmersión Corp como un dispositivo de entrada. Cuando se realiza telemanipulation diestra es imprescindible calibrar el CyberGlove para cada usuario individual para garantizar y precisar los resultados. Por lo tanto, tenemos que idear un sistema para calibrar el usuario con el sistema de guante en una forma que sea adecuado para nuestra tarea de telemanipulation. Por nuestra estructura actual, usamos sólo el dedo índice y pulgar, para imitar el conocimiento de pinzamiento que el robot es capaz de hacer.
Tres cuestiones son fundamentales para la calibración de un usuario usando la CyberGlove, el ajuste de la guantera, las propiedades de los sensores y el modelo cinemático de la mano humana utilizada para extrapolar las posiciones de dedo en la mano. La medidas y ángulos del dedo de la mano y sus propiedades de miden utilizando un doble sensor analógico. Por lo tanto, necesitamos saber el factor de conversión ( "ganancia") de la analógica a los valores de los sensores del ángulo en radianes, así como una constante para compensar. Esto se traduce en dos parámetros para cada sensor, de acuerdo con la ecuación:
ángulo (radianes) = ganancia * (sensor de lectura analógica) + offset
Además, la compleja cinemática del pulgar humano es medida con precisión, por la CyberGlove en su configuración por defecto. La base conjunta del pulgar (articulación trapeciometacarpiana o ATM) tiene 2-grado de libertad de rotación común: sus dos ejes de rotación no son ni ni intersección perpendicular. Los dos sensores en la CyberGlove asociados con ese conjunto de medidas de hecho dos grados de la libertad, pero estos ejes de rotación no son ni demasiado ni intersección perpendicular. En lugar de desarrollar una complicada relación entre los sensores y la cinemática del pulgar, optamos por asumir que los dos ángulos de la ATM fueron funciones lineales de los dos sensores:
Capítulo 3 Proyectos para suplir limitaciones físicas
3.1 Aprovechar la percepción tactil
La sustitución sensorial es un fenómeno en el cual un sentido físico se utiliza en lugar de otro para transmitir información al cerebro. En el área de desarrollo hemos concentrado nuestros esfuerzos hacia el desarrollo de los sistemas que utilizan el sentido del tacto para canalizar la información al cerebro. La mayoría de nuestros esfuerzos se han ocupado de explotar hoy el estado de la técnica electrónica a fin de avanzar aún más la investigación y el desarrollo de ayudas táctiles para los ciegos, pero la tecnología está siendo cada vez más empleada en otras áreas de investigación y desarrollo. .
3.2 Historia y antecedentes (VIDEOTACT)
"Que el ciego pueda ver" es un deseo eterno del corazón humano, una oración a menudo equiparada con la humanamente imposible y a menudo aplicada a la ceguera de espíritu. Sin embargo la falta de visión es una metáfora más que de una inutilidad , los ciegos ven con sus dedos, con sus bastones, y con cualquier otro sentido Solemos pensar que una prótesis funcional de un dispositivo para ciegos ser micro-implantados quirúrgicamente en su óptica de los nervios o la corteza, sin embargo los ciegos, durante décadas han utilizado los nervios sensoriales de sus dedos para leer Braille y explorar su mundo manualmente, estudiar el espacio a su alrededor con sus manos o bastones. Para estas personas, su cerebro se ha convertido en resistencia suficiente para permitir a la experiencia estética, plácida y así disfrutar de su mundo visual sin el beneficio de los órganos sensible a la luz
La teoría de la sustitución sensorial táctil se remonta a principios de 1900, pero no fue hasta la década de 1960 que la electrónica ha madurado hasta un punto significativo que se podrían hacer esfuerzos para poner esta teoría a la práctica. En el decenio de 1960, el doctor James Bliss y sus colegas desarrollaron el “Optacon”, una sustitución sensorial táctil de lectura para os ciegos. El Optacon consta de un fotodiodo (sensibles a la luz) que se asigna a una matriz de 6x24 que hace vibrar sus bastones donde el usuario coloca su dedo de la mano en sentido a la imagen captada por el sensor de luz-matriz. Sujetos capacitados en este dispositivo fueron capaces de alcanzar tasas de lectura de 60 palabras por minuto.
También en la década de 1960, en el Instituto de Ciencias Visuales Smith-Kettlewell, el doctor Bachrita y sus colegas desarrollaron una gran variedad dispositivos electromecánicos de 400 puntos montado en un sillón dental que transmitir los patrones de vibración en la parte de atrás de una persona sentada en la silla. Los patrones de vibración fueron dictadas por las imágenes captadas por una cámara de televisión bajo el control de la persona en el sillón. Si la cámara se dirigía hacia una línea vertical de color blanco sobre un fondo negro, por ejemplo, la persona se sentiría una línea vertical en su espalda. Si la cámara se trasladara a la derecha, se siente mover la línea correspondiente en su espalda. Aunque un sistema de este tipo no tiene ni cerca la capacidad del ojo humano para recoger información visual, se puso de manifiesto que el cerebro fue capaz de percibir la información visual a través de la piel (Mecanismos de sustitución sensorial, de Paul Bachrita) .
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Debido a que los componentes electromecánicos son ruidosos, costosos, consumen mucha energía eléctrica y tienen muy limitada fiabilidad, se hicieron esfuerzos para desarrollar estimuladores eléctricos táctiles. Si bien estos esfuerzos han podido superar muchos de los problemas relacionados con electro-estimuladores mecánicos, nuevos problemas como la falta de confort de la piel, sensación de irritabilidad y quemaduras en la piel fueron apareciendo. Si estos problemas se superan, la estimulación eléctrica podría ser utilizada en forma práctica para las solicitudes de información táctil.
3.3 Previsión de desarrollo
Con los enormes avances científicos realizados en la electrónica, materiales y técnicas de fabricación desde la década de 1960, hemos tratado de encontrar una vía para desarrollar un sistema multicanal electrotáctil que sea capaz de estimular la piel en un lugar seguro y confortable manera. Cuando se inició premeditación Desarrollo de su más reciente esfuerzo para producir una alta densidad electro-táctil matriz de gráficos por ordenador percepción en virtud de los Institutos Nacionales de Salud de financiación, sus investigadores han acumulado décadas acumuladas de años de experiencia en la promoción y la evaluación de esta tecnología. National Eye Institute Algunos de los aquí descritos investigación fue financiada en virtud de diversas subvenciones de la National Eye Institute de los NIH, algunos ha sido financiado por compras de equipo, y algunos se adquirió con la adquisición de una existente sensorial-empresa de investigación.
Durante nuestros primeros esfuerzos de investigación que hemos desarrollado sistemas de retroalimentación táctil para nuestra propia casa-en el programa de desarrollo. Como hemos avanzado, hubo un creciente interés en nuestro trabajo por otras organizaciones, y empezamos a percibir la creciente necesidad de un fácil de usar sistema de retroalimentación táctil que podrían ser utilizados por terceros destinados a satisfacer sus específico de investigación y las necesidades de desarrollo.
3.4 Importantes logros y características de la Videotact
• Tecnología electrotactil patentada
• Sistema de entrega de estímulo para la prestación segura y cómoda de estimulación electrotáctil.
• Durable, biológicamente inerte, fácilmente fabricado, compacto
• Fácil de usar en interfaz de Windows SO
• Interfaz con una amplia variedad de fuentes de señal externa
• Interfaz con otras tecnologías , por ejemplo, electromecánicas
Capitulo 4 Simuladores
Uno de los mayores objetivos de la háptica es lograr el mayor realismo en la simulación usando estas interfaces.
4.1 Simulador Quirúrgico (ProMIS)
ProMIS es un innovador y galardonado simulador para el aprendizaje de las habilidades y las técnicas de cirugía mínimamente invasiva. ProMIS permite a los usuarios interactuar con los modelos virtuales y modelos físicos en la misma unidad de tiempo y amplía la información sobre el rendimiento.
• Mejora de la vista de la cámara: de mano modelo laparoscopio proporciona una mejor calidad de imagen y permite una total flexibilidad para el posicionamiento, zoom - e incluso equipo de formación
• Mejora de posición y el ángulo de entrada ofrece aún mayor realismo y permite diferentes procedimientos que se practican
• Inclinación y posición para permitir la bodyform que se han de ajustar para adaptarse al usuario y el procedimiento
• Una mayor explotación del espacio permite más y distintos procedimientos para simular que van desde la Cirugía General a una cirugía torácica
• La mejora de las cifras de la presentación de informes y sistema de gestión del aprendizaje
• Conserva métricas validadas
• Conserva la capacidad de integrar fácilmente planes de estudios existentes - incluida la FLS y el plan de estudios local
• Conserva la realidad mixta de enfoque utilizando la realidad virtual y realidad física
• Conserva el uso de instrumentos reales para que los usuarios practiquen con los mismos instrumentos que utilizarán en la sala de operaciones
4.2 Interfaces Enactive
Expertos europeos en robótica, realidad virtual, psicología experimental y neurociencia desarrollan los llamados Interfaces Enactive, basados en el uso de las manos para el aprendizaje a través de la acción, alumbrando un nuevo paradigma de la educación asistida por las tecnologías de la información. El conocimiento que se adquiere con estos interfaces queda grabado en forma de respuestas motoras y se adquiere sólo mediante el “hacer”, que se considera la transmisión de conocimiento más directa. Usando estos interfaces, con una pantalla, un guante y alguna herramienta, se puede aprender carpintería de la misma forma que si el aprendiz estuviera en un taller real. Los Interfaces Enactive también podrían utilizarse para rehabilitaciones, prácticas de cirugía o exploración espacial.
Un proyecto de investigación de la Unión Europea bautizado como Enactive está desarrollando una interesante forma de enseñanza basada en la combinación de las tecnologías de la información (TI) y los trabajos manuales. Se trata de crear una fórmula de aprendizaje “haciendo”; de un conocimiento que se alcanza con actuación o “enacción”. Para ello no se utilizan herramientas tradicionales, sino realidad virtual.
La enacción permite adquirir información utilizando el cuerpo y, sumada a las nuevas tecnologías, promete convertirse en un nuevo paradigma en la educación asistida por las TI.
El aprendizaje por enacción se inició cuando el primer proto-humano descubrió que un hueso, por ejemplo, podía convertirse en una herramienta. Desde entonces ha llovido mucho, y en nuestra sociedad moderna los trabajos manuales o físicos se han transformado en raros o marginales, simplemente porque nos hemos acostumbrado a que los hagan las máquinas.
4.2.1 Conocimiento Enactivo
El proyecto Enactive ha permitido en los últimos años que se desarrolle una próspera comunidad de investigación que trabaja en el conocimiento enactivo asistido por ordenadores. Expertos en robótica, realidad virtual, psicología experimental o neurociencia comparten actualmente en esa comunidad tanto recursos como información.
El objetivo general de Enactive ha sido la creación de una comunidad de investigación multidisciplinar que produzca en un futuro una nueva generación de interfaces ordenador-humano bautizadas como Interfaces Enactive.
La interacción convencional con la información que proporcionan los ordenadores se basa mayormente en el conocimiento simbólico (palabras, símbolos matemáticos…) o icónico (imágenes visuales como diagramas e ilustraciones). La interacción con los PC que promueve Enactive estaría basada en el uso activo de las manos.
4.2.2 Reunión de disciplinas
El conocimiento enactivo queda grabado en los humanos en la forma de respuestas motoras, y se adquiere sólo mediante el “hacer”. Por ejemplo: saber escribir a máquina, conducir un coche, bailar o tocar un instrumento musical, etc. requieren de un aprendizaje derivado de la práctica, que se considera la transmisión de conocimiento más directa.
Hasta ahora, la interacción enactiva entre humanos y ordenadores no ha sido muy explorada, pero evidentemente precisa de nuevos tipos de interfaces y programas informáticos capaces de “colaborar” con los usuarios a un nivel más complejo de representación de la información.
El coordinador del proyecto Enactive, Massimo Bergamaso, profesor de Mecánica Aplicada en la Facultad de Ciencias Experimentales de la Scuola Superiore Sant'Anna, de Pisa (Italia), afirma que hace unos años había grupos de investigación de distintas disciplinas trabajando por separado en interfaces o enacción, pero que sólo gracias a Enactive sus esfuerzos se han reunido. Hoy existe una sociedad, un congreso, e incluso uno de los socios del proyecto está creando un laboratorio destinado a la investigación en este campo.
4.2.3 Carpintería Virtual
Aplicaciones potenciales de las interfaces Enactive son fáciles de imaginar: con una pantalla, un guante y alguna herramienta, por ejemplo, se puede aprender carpintería. Los interfaces permiten modificar las sensaciones percibidas a través del guante para reflejar diversos tipos de madera, y también utilizar multitud de piezas de prueba que serán reemplazadas virtualmente.
Por más que suene a increíble, llegará a ser cierto, tal y como ha demostrado otro proyecto de la Unión Europea bautizado como Haptex, en el que un equipo de investigadores ha conseguido recrear virtualmente el “tacto” de un tejido virtual. Su textura, resitencia y elasticidad son transmitidas a través del guante con enorme realismo.
Las Interfaces Enactive del futuro también podrían utilizarse para rehabilitaciones, prácticas de cirugía o exploración espacial. Sus potenciales aplicaciones son ilimitadas, asegura Bergamaso.
4.2.4 Origen Háptico
La reciente introducción en los entornos virutales de los dispositivos hápticos (interfaces que proporcionan una sensación física al usuario), como el guante creado por Haptex, sumados a los dispositivos de audio y visión proporcionan una impresión muy realista que permitirá que el concepto de enacción, vinculado a estas tecnologías, suponga una verdadera revolución en interactividad hombre-máquinas.
Las Interfaces Enactive, según el proyecto Enactive, pueden ser considerados un nuevo paso hacia el pleno desarrollo de esta interactividad porque pueden reconocer los gestos del usuario al inicio de cada acción e interpretarlos (en términos de intenciones, habilidad o competencia) para adaptarse a él y ayudarle a mejorar su rendimiento.
Estos interfaces podrían llegar a tener un gran impacto. El proyecto Enactive trata de desarrollarlos centrándose en tres objetivos principales: integración, investigación y difusión.
Capitulo 5 Cyberterapia
5.1 Motivación
La realidad virtual mas la profundización de las interfaces humano-máquina y el uso de tecnología en las artes cognitivas han dado lugar a diversos proyectos para el tratamiento de trastornos y desordenes psicológicos,
5.2 Proyectos
5.2.1 Virtual Reality Therapy
El Virtual Reality Medical Center utiliza la realidad virtual en la terapia conductual cognitiva (VR-CBT) para el tratamiento de clientes con trastorno de pánico, fobias específicas, agorafobia y fobia social. Fobias específicas son las condiciones, tales como miedo a volar, el miedo a las alturas, claustrofobia, el miedo a la conducción, el miedo a las tormentas, aracnofobia, y el miedo de hablar en público.
La terapia consiste en la exposición virtual del paciente en lugares generados por computadora, donde se programan los distintos estímulos relacionados con la fobia. Se usa un casco donde se monta la exposición con pequeños monitores de televisión y auriculares estéreo para recibir señales tanto visuales como auditivas.
Ejemplo con desordenes de ataques de pánico:
El ataque de pánico se caracteriza por repetidos episodios de miedo intenso acompañados de síntomas físicos que pueden incluir dolor en el pecho, palpitaciones del corazón, dificultad para respirar, mareos y dolor abdominal. Estas sensaciones a menudo imitan los síntomas de un ataque al corazón o de otro tipo que amenazan la vida condiciones médicas. Como resultado de ello, el diagnóstico de ataque de pánico con frecuencia no se da correctamente ya que los costosos procedimientos médicos no proporcionan un diagnóstico correcto o de ayuda.
Muchas personas con trastorno de pánico desarrollan una intensa ansiedad entre los episodios. No es raro que una persona con trastorno de pánico desarrolle fobias acerca de los lugares o situaciones donde los ataques de pánico se han producido, como en los supermercados u otras situaciones de la vida cotidiana. Como la frecuencia de los ataques de pánico aumenta, a menudo la persona comienza a evitar situaciones en las que temen otro ataque puede producirse o donde la ayuda no sería inmediatamente disponibles. Esto puede llegar a convertirse en agorafobia, una incapacidad de ir más allá de conocer los alrededores y en condiciones de seguridad a causa de intenso miedo y ansiedad.
Afortunadamente, a través de la investigación apoyada por el Instituto Nacional de Salud Mental (NIMH) y por la industria, los tratamientos eficaces se han desarrollado para ayudar a las personas con trastorno de pánico.
¿Qué tan común es el trastorno de pánico?
Acerca de 1,7% de la población de EE.UU. de adultos edades 18 a 54 - aproximadamente 2,4 millones de estadounidenses - tiene trastorno de pánico en un año determinado. Las mujeres tienen el doble de probabilidades que los hombres a desarrollar trastorno de pánico.
Aproximadamente la mitad de todas las personas que tienen trastorno de pánico desarrollan la condición antes de la edad 24.
Tratamiento
El tratamiento para el trastorno por pánico incluye medicamentos y un tipo de psicoterapia conocida como cognitivo-conductual de terapia, que enseña a la gente cómo ver los ataques de pánico diferente y demuestra la forma de reducir la ansiedad. NIMH está llevando a cabo un estudio a gran escala para evaluar la eficacia de la combinación de estos tratamientos. Un tratamiento adecuado por un profesional experimentado puede reducir o prevenir los ataques de pánico en el 70% a 90% de las personas con trastorno de pánico. La mayoría de los pacientes muestran un progreso significativo después de unas semanas de terapia. Recaídas pueden ocurrir, pero que a menudo pueden ser tratadas eficazmente al igual que el episodio inicial.
5.2.2 Transcranial Magnetic Stimulation
La terapia TMS implica el uso de cortos pulsos de energía magnética para estimular las células nerviosas en el cerebro y fue usado por primera vez en 1985. TMS fue usado por investigadores de todo el mundo para entender las funciones de las diferentes pararte del cerebro. Especiales secuencias repetitivas de TMS han sido probados por Neuronetics para determinar su seguridad y eficacia para el tratamiento de la depresión mayor. Neuronetics no es la primera para investigar los posibles efectos antidepresivo del la terapia de TMS. Los primeros resultados de otros ensayos han alentado a los investigadores para investigar más a fondo la terapia como un tratamiento para la depresión mayor.
Figura 1
Cómo funciona la terapia TMS
Los pulsos magnéticos de la energía producida por TMS NeuroStar Sistema de Terapia están dirigidos por el clínico en el tratamiento de las estructuras en el cerebro el pensamiento para controlar el estado de ánimo. (Véase el Gráfico 1, las estructuras del sistema límbico, muchos de los cuales se cree que participan en la regulación del estado de ánimo). La corteza prefrontal izquierda (Figura 2) se utiliza para acceder a estas estructuras no-invasiva del cerebro fuera de la terapia con TMS. El carácter singular de los campos magnéticos permite a atravesar el cráneo y en la corteza sin distorsión de ninguna manera. Esto facilita una muy focal tipo de estimulación, minimizando la estimulación del tejido cerebral que no participan en el estado de ánimo.
Una vez dentro del cerebro, la dinámica (que cambia rápidamente) la naturaleza de los pulsos magnéticos induce cargas eléctricas de corriente. La cantidad de electricidad creada en el cerebro es muy pequeña y no puede ser sentida por el paciente. Cuando en la orientación correcta con respecto a las células cerebrales (neuronas), estas muy pequeña cargas eléctricas pueden causar las neuronas al fuego o se activa. (Figura 3) El objetivo de TMS es la terapia para estimular (o activar) las células del cerebro. Los pacientes permanecen despiertos y alerta durante un procedimiento de terapia TMS.
Figura 2
Figura 3
5.3 Tecnologías
En el Instituto Internacional de Biofísica plantea, con pruebas empíricas, que las células de los seres vivos se comunican por medio de luz (Yu, & Chang, 1995; Zhang,Yu & Popp, 1997).
Todas las moléculas dentro del cuerpo del ser humano están unidas por la energía del Sol, cuando se abren liberan la energía del sol que en ellas se guardaba (Leningher 1986). Anteriormente se pensaba que esta liberación de energía producía calor corporal. Con las investigaciones de Poppetal se pone en juego conocimientos de alcances extraordinarios.
La luz del Sol viaja entre las células y estos experimentos agregan un nuevo conocimiento, el cual podría ser utilizado para dar con una nueva Interfase (ver Figura).
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..Neurona y sus diferentes actividades (eléctricas y de radiación electromagnética)
Capitulo 6
Conclusiones y estado del arte
6.1 Sensaciones y sentimientos. La nueva era que se avecina.
Etkin dijo: “el adjetivo griego en cuestión es, transliterado, 'haptikós'. Los significados que da el Diccionario Bally griego-español son: (1) apto para ser tocado o para ser agarrado; (2) apropiado al tacto; (3) que actúa sobre (se dice de los medicamentos). La forma deriva del verbo griego 'hápto', que quiere decir ajustar, atar, anudar, en primera
acepción; y luego, tocar, alcanzar, ponerse en contacto con, tocar para agarrar; atacar; también, entregarse a y relacionarse con. Faltaría el sustantivo de este grupo, que es 'haphé', y es la palabra que designa el sentido del tacto, concepto expuesto filosóficamente por Platón, y sobre todo, por Aristóteles. 'Haphé' significa también contacto, acción de agarrar; golpe, herida; y punto de contacto, juntura, articulación”.
Por lo tanto, es evidente que el término puede ser perfectamente asociado a esta nueva manera que, cada vez más, guarda y guardará relación con la computadora. Entrar en contacto, tocar, articular es justamente lo que se proponen los nuevos sistemas. Yo percibo, siento y me comunico con el exterior. Experimento sensaciones y algo sucede. Siento, luego transmito. De esa transmisión o de cómo se lleva a cabo y sus aplicaciones es lo que intentaremos dilucidar. Estos mecanismos se han dado en llamar percepciones o sensaciones hápticas.
Siguiendo con la familia, la tecnología háptica sería la implementación de esa fusión: las sensaciones transmitidas y el receptor. Es la tecnología que hace uso de esa interacción entre el hombre, sus sentidos y “el afuera”. De allí, el término de retroalimentación háptica o retroalimentación táctil. Qué significa esto?. Todos esos componentes que nombramos se retroalimentan, se entrelazan, se buscan y se encuentran. Los nervios de la piel, nuestros sensores, transmiten las sensaciones del cuerpo: temperatura, textura, fuerzas, etc.y la tecnología absorbe estos “mensajes”. Son nuestras sensaciones las que “hablarán”, las que serán nuestros portavoces, las que tomarán la palabra.
Hablamos del tacto. Qué pasa con el cerebro? Cómo resulta esta conexión cuando ya no se toca sino que se “piensa”?. En este nuevo circuito comunicativo, el cerebro deviene otro repositorio para intercambiar sensaciones y sentimientos. El mensaje llega a través de las ondas cerebrales. La estimulación, en este caso, resulta neuronal y no táctil.
Intentaremos ver ejemplos de ambos procesos. En los años 90, la háptica se pone de moda y se comienza a utilizar en varias aplicaciones. En el campo de los juegos, por ejemplo, el Rumble Pak, creado por Nintendo permitía, justamente, este tipo de intercambio: cuando uno jugaba, el joystick producía una cierta vibración. El jugador “sentía” una especie de temblor como consecuencia de determinada acción. Luego le siguió Sony con otros productos. Pero allí quedó todo. El primitivismo de lo háptico. Su nacimiento. Los 2000, llegaron con novedades.
Los sensores van evolucionando, los estudios se amplían y la medicina toma la posta con experimentos que ayudan y perfeccionan las terapias de recuperación para controlar enfermedades neurológicas. Comienzan a surgir dispositivos que transmiten los datos directamente al cerebro, permitiendo la comunicación por medio de ondas cerebrales, como si se “leyera” a través de la piel, sin implantes.
El campo de la investigación científica permanece como antecedente. Las áreas comienzan a expandirse. Se comienza a trabajar en software, programas y dispositivos que han sido evaluados o que funcionan casi de la misma manera pero que su objetivo ya no tiene que ver exclusivamente con la salud sino también con otros dominios como la educación, el ocio, etc.
Varias empresas comienzan a construir prototipos de juguetes y otros productos de uso cotidiano, evaluándolos y testeándolos con las mismas bases científicas. Las pruebas se desarrollan de la misma manera: se controla actividad eléctrica del cerebro por medio de electrodos conectados al cuero cabelludo. Se estudian los impulsos neuronales de nuestro cerebro para captar órdenes, convertirlas en señales digitales y trasladarlas a acciones lúdicas concretas.
En marzo de 2007, en la Game Developers Conference, se presentó un nuevo producto de la compañía de Silicon Valley NeuroSky. Varias notas se hicieron sobre el tema, anunciando que estaría listo para fines de 2008. Y Emotiv, otra compañía, y su tecnología Epoc, lo acompañó en el deseo y en un segundo prototipo. Ambas propusieron metodologías similares: un sistema que permitiera a los jugadores de video juegos interactuar con un mundo virtual gracias a sus emociones y pensamientos.
Ambos proponen una especie de casco que “interpreta” los mensajes del cerebro. Las neuronas nos hablan, y nosotros las “escuchamos”. Un software que registra los sentimientos y el humor de las personas mediante las emisiones de sus ondas cerebrales.
Simplificando: una persona, siente. Esta “emoción”, esta “sensación”, es transmitida por ondas cerebrales, el casco aprehende esta información y la traduce. Los sensores captan la ansiedad, la calma o cualquier otro estado de ánimo que una persona pueda tener. Sin cables, sin transplantes, sólo a través de sus ondas. A partir de esta lectura, la computadora podrá llevar a cabo ciertas acciones “inducidas” por los estados de ánimo.
El casco, que utiliza la tecnología wi-fi para conectarse a la computadora, podría llegar a detector más de 30 expresiones o estados de ánimo diferentes. Podrían incluirse, entre ellas, excitación, meditación, tensión, frustración, risa, llanto, enojo. Estaríamos frente a un acto casi de telequinesia virtual ya que los jugadores estarían capacitados de mover los objetos sólo pensándolo. Las emociones DEVIENEN comandos que luego serán “interpretados” por dispositivos.
En un futuro, comentaron, se podrá utilizar también por aquellos que utilizan el mp3: el estado de ánimo sería capaz de seleccionar canciones. No podemos integrarlos dentro del capítulo educativo ni hablar de la complejidad que implica una interface que interactúa con el cerebro, sin embargo también entran en nuestra categoría ya que son productos que integran sensores. Hablamos de Wii Fit, el juego de Nintendo que viene con la Wii Balance Board (Tabla de equilibrio), una tabla con sensores que transmite (una vez más) cierta data como peso, índice de masa corporal, información que, por supuesto, trae consecuencias. Los sensores pueden determinar nuestros futuros movimientos. En este caso, es la tabla la que posee los “nervios sensoriales” sin embargo, el sistema habla de lo mismo.
Volviendo al tema háptico y a las capacidades del tacto en relación a la informática y nuevas tecnologías, es evidente que ya conocemos varios instrumentos que, día a día evolucionan pero que, en definitiva, se manejan de la misma manera. Es el caso de las pantallas de los celulares como el ya conocido iPhone o el N95 de Nokia que integró un detector de movimiento; las pantallas de los cajeros automáticos, las Palm o algunos juegos como Zelda: Phantom Hourglass de Nintendo DS, que presenta una interfaz también manejable a través del tacto.
Microsoft también se adentra en las novedades con el Air Wave, una pantalla táctil para ser utilizada en lugares públicos. Permite a los usuarios de interactuar con las publicidades para obtener información o ganar bonos de reducción.
La última novedad, la presentó Bill Gates. El uso de Windows 7 (2010?) llevará consigo programas e interfaces táctiles que serían la estrella del nuevo sistema, además del reconocimiento de voz y la escritura. La verdad es que después de todo lo que hemos visto no resulta tan novedoso, pero estamos hablando de todo un sistema operativo.
Se viene una informática más “sensible”?. Habituados a creer que la tecnología no tiene corazón, ni ojos, ni boca, ni manos, pareciera ser que estaríamos cerca de cambiar nuestras creencias.
Esto recién empieza.
