Automatisierung

Fühlen, was nicht da ist

Berührungslose Schwingungsmessung macht Haptik sichtbar

01.06.2021 - Im Interview legt Matthieu Rupin, Teamleiter Akustik und stellvertretender Technischer Geschäftsführer bei Hap2U – Spezialist für haptisches Feedback – seine Sicht auf die Zukunft der Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug dar. Er macht deutlich, dass mit geeigneter Technologie Schwingungen eingesetzt werden können, um virtuelle Texturen auf Oberflächen zu erzeugen, die sich sogar der Geschwindigkeit eines Fingers anpassen, der über sie gleitet. Und das funktioniert völlig geräuschlos und nicht nur auf Displays. Der Kern der ­Technologie sind Ultraschallfelder, die den Reibwert ­zwischen Finger und Oberfläche gezielt und lokal beeinflussen. Der Mensch fühlt vertraute Oberflächen und findet sich sofort zurecht. Unverzichtbar für die Dimensionierung der Ultraschallwandler und der Kalibrierung der Modelle ist die Kartierung der Ausbreitungsparameter im Material. Dazu setzt Hap2U durchgängig die 3D-Scanning-Vibrometer von Polytec ein: von der Grundlagenentwicklung bis hin zur Industrialisierungsphase eines Produkts mit Ermüdungs- und Lebensdauer­prüfungen.

Herr Rupin, welche Anwendungsbereiche sehen Sie für Ihre Haptik-Technologie?

Eine haptische Rückmeldung, also die Erzeugung eines mechanischen Reizes unter der Fingerkuppe eines Benutzers bei der Interaktion mit einer taktilen Schnittstelle, ist überall dort sinnvoll, wo eine Interaktion mit einer Maschine stattfindet. Mit dem Siegeszug des Smartphones werden Schnittstellen mit Tasten allmählich durch Displays verdrängt. Diese Entwicklung hat durchaus seine Berechtigung: Mensch­Maschine­Schnittstellen basierend auf berührungssensitiven Displays lassen sich durch Programmierung sehr einfach differenzieren. Zudem ermöglichen sie durch den Wegfall mechanischer Bauteile mit beweglichen Teilen wie Dreh­regler, Schieberegler usw. robustere Produkte. Dieser Trend hat jedoch dazu geführt, dass das Gefühl der Berührung all dieser Schnittstellen verloren gegangen ist. Bisherige mechanische Tasten konnte man greifen, eine sensorische Rückmeldung war also natürlich gegeben. Die Erzeugung einer programmierbaren haptischen Rückmeldung ist daher bei zahlreichen verschiedenen Anwendungen sinnvoll. Im Automobilbereich gewinnen Schnittstellen mit Displays aus Design- und Innovationsgründen im Fahrgastraum immer mehr an Bedeutung. Dieser Trend kollidiert jedoch mit den ­Sicherheitsanforderungen, die vom Fahrer verlangen, sich ganz auf die Straße zu konzentrieren und sich nicht durch eine Schnittstelle ablenken zu lassen, die Blickkontakt erfordert. Haptische Displays tragen dieser Problematik Rechnung, indem sie über den Tastsinn wieder eine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und dem Benutzer herstellen. Die Interaktion findet statt, ohne den Blick von der Straße nehmen zu müssen. Bei Produkten für den Haushalt, wie zum Beispiel Elektrogeräten, bietet die Rückmeldung durch den Tastsinn wieder eine Ergonomie, wie wir sie von mechanischen Tasten kennen. Beim Smartphone geht es um eine völlig neue Art, das ganze Spektrum der Funktionen zu erleben. Stellen Sie sich vor, beim Surfen auf Websites, bei Spielen und in sozialen Netzwerken würden uns Texturen begegnen – sogar Tastensteuerungen bei ausgeschaltetem Display werden möglich.

Was unterscheidet denn Hap2U von bereits existierenden technischen Lösungen respektive von der Konkurrenz?

Die Technologie von Hap2U verkörpert die Zukunft von haptischem Feedback. Wir wissen alle, wie es sich anfühlt, wenn unser Telefon vibriert. Diese Art der haptischen Rückmeldung bei passiver Berührung – so genannt, weil der Benutzer nicht aktiv mit der Schnittstelle interagieren muss – weist zwei grundsätzliche Einschränkungen auf: Sie ist mit Geräuschen verbunden und sie ist global in dem Sinne, dass die gesamte Schnittstelle in Schwingung versetzt wird. Die Hap2U­Technologie überwindet diese Nachteile, die haptische Rückmeldung ist viel ­feiner, nuancierter und kann gezielt lokal unter dem Finger des Benutzers erfolgen. Insbesondere ist es möglich, künstliche Texturen zu schaffen, die von der Position und Geschwindigkeit des Fingers abhängen. Alle Arten von Tasten oder Schiebereglern wird man so auch in einer vollständig digitalen Umgebung wieder greifen können. Diese Technologie kombiniert die Flexibilität, die die Digitalisierung von Schnittstellen bietet, mit einer wiedergewonnenen Sensorialität, die die Mensch­Maschine­Interaktion sowohl intuitiver als auch sicherer macht.
Die Geräuschlosigkeit dieser Technologie ist ein weiterer Vorteil, der eine Konzentration auf das taktile Erlebnis ermöglicht, aber auch die Vertraulichkeit der in taktiler Form übermittelten Informationen garantiert. Und dabei geht es nicht nur um Displays. Die Hap2U­Technologie funktioniert auch auf taktilen Oberflächen aus Kunststoff, Holz, Glas oder Metall. Und wir haben vor kurzem virtuelle Volumenobjekte durch haptische Rückmeldung entwickelt, die man leicht lokalisieren und handhaben kann. Diese sollen die realen mechanischen Tasten ersetzen, die man greifen kann, die aber Verschleiß unterliegen.

Können Sie kurz das Funktionsprinzip und wie das Gefühl einer Berührung erzeugt wird erklären?

Die Hap2U-Technologie basiert auf der Erzeugung eines Ultraschallfeldes auf der Fläche, die mit dem Finger in Berührung kommt. Die Ultraschallwellen werden mithilfe von piezoelektrischen Wandlern erzeugt, die mehrere Tausend Mal in der Sekunde schwingen. Das Ultraschallfeld erzeugt Druck in dem kleinen Luftvolumen, das zwischen Finger und berührter Oberfläche eingeschlossen ist. Dadurch entsteht eine akustische Levitationskraft, die dem Druck des Fingers auf die Oberfläche entgegenwirkt. Die Kontaktfläche wird kleiner, wodurch sich auch der Reibungskoeffizient verringert. Die Ultraschallschwingungen dienen also dazu, den Reibungskoeffizienten aktiv zu beeinflussen. Durch die Steuerung dieser Schwingungen in Echtzeit können wir die Variation der Reibung nachahmen, die beim Ertasten einer realen Oberfläche auftritt.

Welche Entwicklungsschritte sind hierbei nötig und wo kommt die 3D-Laser-Schwingungsmessung ins Spiel?

Eine entscheidende Etappe vor der Industrialisierung der Technologie besteht darin, sicherzustellen, dass das Produkt des Kunden mit unseren Rahmenbedingungen kompatibel ist. Wir bauen dann einen ­Demonstrator für den Kunden auf Basis seines vorhandenen oder zukünftigen Produkts und integrieren darin unsere „haptische Schicht“. Wichtig in dieser Phase ist die Charakterisierung des Kundenmusters, woraus wir die Ausbreitungsparameter der Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich ableiten. Die Kartierungen, die mit dem Scanning-Vibrometer von Polytec in sehr kurzer Zeit erstellt werden, bilden die Grundlage für die Dimensionierung der endgültigen haptischen Schnittstelle. Die gemessenen 3D-Schwingungsdaten ermöglichen dann die Verifikation unserer Simulation sowie ge­gebenenfalls eine Anpassung und Optimierung. 
Nach dem Proof of Concept folgt die Phase der Industrialisierung. In dieser Phase liegt der Schwerpunkt darauf, unsere Technologie mit den spezifischen Anforderungen des Marktes in Einklang zu bringen. Auch hier leistet das 3D-Scanning-Vibrometer einen wichtigen Beitrag: In Ermüdungs- und Lebensdauerprüfungen beobachten wir die möglichen Veränderungen des Musters, um sicherzustellen, dass die Leistungsfähigkeit über den gesamten Produktlebenszyklus erhalten bleibt. Die Schnelligkeit der Messung ermöglicht es, eine große Anzahl von Mustern sozusagen „wie am Fließband“ zu charakterisieren.
Nicht zuletzt sind wir auch sehr aktiv im Bereich der Forschung und Entwicklung, um unseren technologischen Vorsprung abzusichern. Dabei stellt das 3D-Scanning-Vibrometer ein unverzichtbares Werkzeug dar, um den Zusammenhang zwischen haptischer Wahrnehmung und der Schwingung der Oberfläche herzustellen. Hier sind vor allem die In­Plane-Schwingungskomponenten von großer Bedeutung. Tatsächlich reagiert das Hautgewebe, das wir in Schwingung versetzen, auf verschiedene Arten von Wellen in unterschiedlicher Weise. Das 3D-Scanning-Vibrometer ist daher das ideale Werkzeug zur Entwicklung eines möglichst starken haptischen Effektes bei minimaler Schwingung. Außerdem führen wir komplexe Messungen durch, um die Schwingungsantwort des Fingers auf ganz spezifische Ultraschall-Stimuli zu ermitteln.

Welche Schlussfolgerungen ermöglichen ­Ihnen die Schwingungs­messergebnisse?

In der Charakterisierungsphase messen wir die Antwort einer großen Anzahl von Oberflächenpunkten auf eine Puls­Anregung mit einer speziell abgestimmten Anregungsquelle. Als Ergebnis erhalten wir eine große Fülle an räumlichen und zeitlichen Schwingungsinformationen, aus denen wir mit erweiterten Algorithmen die kritischen Ausbreitungsparameter des Ultraschallfeldes bestimmen. Mit diesen Informationen können wir vor allem unsere Aktoren sehr exakt dimensionieren und so die Effizienz unserer Anordnung optimieren.
Die Messungen eröffnen aber auch neue Perspektiven. Durch die vollständigen 3D-Information können wir die x-, y- und z-Komponenten der Schwingung separat untersuchen und daraus neue haptische Funktionen ableiten. Das 3D-Scanning Vibrometer hat sich somit auch als entscheidendes Werkzeug für eine Reihe von Patenten erwiesen, die wir im Bereich Ultraschall­Haptik angemeldet haben und die sich derzeit in Prüfung befinden.

Wo liegen Unterschiede der 3D-Scanning-Vibrometrie zu alternativen Messverfahren?

Als wir anfingen, haben wir ein Einpunktvibrometer mit optischer Faser angeschafft, da uns bewusst war, wie wichtig ein berührungsloses Messverfahren ist. Damit konnten wir die Out­of­Plane-Schwingungsamplitude der Oberfläche punktweise mit den Parametern der Aktoren in Beziehung setzen. Später haben wir dann den Messkopf an eine Verfahreinheit gekoppelt, die die Translation in der XY-Ebene steuert. Damit konnten wir bereits das Out­of­Plane-Schwingungsfeld kartieren und so die Ausbreitung der Wellen auf unterschiedlichen Oberflächen sehr präzise charakterisieren.
Durch den 3D-Laser konnten wir nicht nur gekrümmte Oberflächen charakterisieren, die bei unseren Anwendungen immer häufiger werden, sondern wir konnten auch die Zeit, die für die Charakterisierung eines Musters benötigt wird, erheblich reduzieren. Zudem sind wir jetzt in der Lage, sehr viel häufiger Lasermessungen vorzunehmen, die eine Vielzahl von Informationen liefern, sodass wir unsere Entwicklungsarbeit erheblich beschleunigen können.

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Polytec GmbH

Polytec-Platz 1-7
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Deutschland

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