Introduzione
Vivere il verosimile di un’esperienza artificiale può avere scopi pratici di insospettabile pragmatismo.
I sistemi di Realtà Virtuale e Aumentata [35] vengono usati in domini applicativi quali medicina, industria, intrattenimento, valorizzazione dei beni artistici, con fini di addestramento, riabilitazione, verifica ergonomica e funzionale di processi produttivi come di nuovi prodotti ancora nella fase di progettazione.
Questi sistemi sono tanto migliori quanto maggiore è la sensazione dell’operatore di essere “proprio lì”, effettivamente immerso in un ambiente virtuale che si possa considerare reale: il coinvolgimento profondo dell’utente di sistemi VR implica la riproduzione di una serie complessa di stimoli sensoriali che renda, se non realistica, verosimile la realtà in cui è immerso.
Lo stato attuale della tecnologia è tale da poter stimolare con sufficiente realismo solo la vista e l’udito. Recentemente, notevoli sforzi sono stati fatti per identificare e sviluppare tecnologie in grado di stimolare in modo adeguato il senso del tatto, ritenuto fondamentale nella simulazione dell’esplorazione e nella manipolazione di oggetti. Nella percezione aptica si possono distinguere due componenti fra loro sinergicamente interagenti:
una componente di posizionamento (propriocettiva) delegata alla localizzazione nello spazio delle parti del corpo,
ed una prettamente tattile (esterocettiva) responsabile della rilevazione di grandezze fisiche locali dell’oggetto esplorato/manipolato quali ad esempio la micro/macrogeometria, la temperatura, la capacità termica, la cedevolezza etc.
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Il presente lavoro di tesi ha per argomento quest’ultima componente.
Obiettivi e requisiti utente preliminari
L’obiettivo del presente lavoro di tesi è la definizione di una possibile configurazione di riferimento per l’implementazione di un attuatore tattile e la definizione di una strategia e dei relativi strumenti necessari alla sua progettazione. Tale attuatore dovrà essere in grado di stimolare i sensori esterocettivi della pelle umana in modo da produrre una percezione tattile simile a quella che si determina durante un’esplorazione/manipolazione reale di un oggetto fisico.
Le informazioni mediate dal tatto sono molteplici e complesse (geometria, cedevolezza, temperatura) e dipendono dalle condizioni del loro istaurarsi (un contatto può esser statico o dimnamico, o essere limitato ad una regione di pelle, può esser diverso il livello della pressione media nella zona di contatto e così via); occorre dunque operare delle scelte che riducano i tipi di stimoli riproducibili dall’attuatore così da aumentare le probabilità di identificare un’implementazione praticabile con l’attuale tecnologia.
A tal fine si definiscono dei domini applicativi di riferimento:
riconoscimento, da parte di utenti non vedenti, di oggetti simulati tramite calcolatore
addestramento al riconoscimento delle patologie degli organi tramite palpazione
In queste applicazioni appare fondamentale il senso del tatto anche nella restrizione alle sole rilevazioni meccanico-geometriche (appaiono dunque meno rilevanti informazioni riguardanti la temperatura la capacità termica e così via).
Infatti, il contatto con un oggetto da esplorare avviene in zone solitamente individuabili nel palmo delle mani e nei polpastrelli. Infine, tale contatto, essendo di tipo esplorativo, sarà caratterizzato da un livello relativamente basso della pressione media di contatto.
In virtù di quanto detto a proposito della sinergia fra componenti propriocettiva ed esterocettiva, l’attuatore tattile dovrà essere integrato su un’interfaccia aptica cinestetica (force display) per poter fornire all’utente una percezione aptica esplorativa completa.
L’attuatore tattile che si vuol progettare dovrà dunque:
• Consentire la percezione delle caratteristiche geometriche (topologia della superficie) e meccaniche (rigidezza) relative al contatto simulato
• Permettere la simulazione della percezione di contatti statici e dinamici
• Poter stimolare i sensori tattili dei polpastrelli e del palmo
• Poter essere integrato in un sistema d’interfaccia aptica cinestetica.
Questi possono essere considerati i requisiti utente preliminari dell’attuatore tattile.
Considerazioni Preliminari
Il fatto di aver limitato ai polpastrelli delle dita la regione di pelle interessata dal contatto da simulare consente di poter definire una possibile configurazione di base dell’attuatore tattile in grado, in linea di principio di risolvere il problema dato con un livello di complessità relativamente basso.
Qualora infatti non sia circoscritta la sezione della pelle sulla quale può avvenire il contatto, si possono prospettare due configurazioni di base possibili con un livello di complessità analogo:
l’attuatore tattile è una “specie di tuta” che ricopre interamente la pelle dell’utente e viene attuato in regioni differenti a seconda di dove avviene il contatto virtuale;
l’attuatore tattile è un “qualcosa” che ha la capacità di trasformarsi in tutto e per tutto nell’oggetto che si vuole simulare.
Nel caso in cui la regione di contatto sia limitata è sicuramente più conveniente scegliere la prima configurazione nella quale l’attuatore è un dispositivo che è
“globalmente” solidale con la regione stessa, in questo caso i polpastrelli.
In questo modo si può pensare di controllare l’attuatore in modo da produrre la stessa percezione che determinerebbe quella porzione di oggetto che si trova ora in corrispondenza con la regione di pelle considerata. Il sistema funzionerebbe come una sorta di finestra mobile sull’oggetto virtuale, attraverso la quale passerebbero, istantaneamente, solo le caratteristiche fisiche locali dell’oggetto virtuale.
Se, come nel nostro caso, si è interessati alle caratteristiche geometriche, è sufficiente controllare la superficie dell’attuatore in modo che si “trasformi” nella superficie locale dell’oggetto. Posto che sia z lo spostamento normale rispetto ad una superficie di riferimento parallela alla superficie del polpastrello, occorre che sia
zatt(x y, t)=zogg(x, y, t)
dove x e y sono le coordinate spaziali rispetto ad un sistema di riferimento solidale con tale piano e t la variabile temporale.
Vedremo che non è strettamente necessario riprodurre la stessa geometria. È infatti necessario che si produca la stessa stimolazione dei sensori propriocettivi e non è detto che questa avvenga solamente attraverso una riproduzione fedele della geometria.
Le considerazioni fin qui fatte portano comunque alla necessità di poter modificare una certa variabile (lo spostamento verticale z o qualunque altra) su di una superficie e nel tempo. Da questo punto di vista l’attuatore tattile è simile ad un normale schermo televisivo: anche in questo caso è richiesto di modificare il valore di variabili (ottiche) su di una superficie e nel tempo.
Analogamente ad un “attuatore visivo” (un comune display o uno schermo televisivo), l’attuatore tattile può esser concepito come un “pattern”
bidimensionale di siti attivi identici l’uno all’altro chiamati taxel (sul modello di pixel per i monitor).
Possiamo dunque ricondurre il problema della realizzazione di un attuatore tattile alla realizzazione di un display inteso come pattern bidimensionale di attuatori semplici fra loro identici, in grado di riprodurre una grandezza fisica, da determinare in base ad indagini fisiologiche e percettive.
