Haptikgestütztes Produktdesign

Die wachsende Beliebtheit und Versorgung mit digitalen Werkzeugen und Diensten motiviert immer mehr Entwickler, haptische Technologien zu integrieren, die eine stärkere Einbindung der Benutzer gewährleisten und ein intensiveres Erlebnis bieten. Die Aufwertung digitaler Schnittstellen durch Berührungsempfindungen ermöglicht eine taktile Interaktion und schafft zusätzliche Erfahrungen, die das Sehen und Hören ergänzen oder darüber hinausgehen. Entwicklungsteams, die haptische Fähigkeiten nutzen möchten, können die Vorteile von sofort verfügbaren Komponenten nutzen, um neue Anwendungsfälle und Geschäftsmöglichkeiten zu erschließen.

Haptik wird bereits in weithin sichtbaren Konsumgütern eingesetzt, von Smartphones über Autos bis hin zu Kassensystemen und Geldautomaten. Sie werden auch in medizinischen Geräten und chirurgischen Instrumenten, Industrie- und Fertigungsmaschinen sowie in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt.

Die Ursprünge der Haptik gehen auf das Jahr 1880 zurück, als Pierre und Jacques Curie den piezoelektrischen Effekt einiger Materialien zur Erzeugung einer kleinen elektrischen Ladung durch Anwendung einer mechanischen Kraft nachwiesen. Der umgekehrte piezoelektrische Effekt erzeugt eine physikalische Bewegung eines Materials, wenn eine Spannung angelegt wird, und wurde zur Entwicklung früher Ultraschall-U-Boot-Erkennungs- und Flugfunksysteme genutzt. Dieselben Prinzipien liegen auch den Aktoren und Wandlern zugrunde, die häufig in kleinen Lautsprechern, Mikrofonen und sogar Musikgeschenkkarten verwendet werden.

Die Kombination haptischer Fähigkeiten mit Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) und dem Internet der Dinge (IoT) birgt das Potenzial, die Interaktion mit bestehenden Geräten erheblich zu verbessern und den Weg für neue Anwendungen zu ebnen. Piezoelektrische haptische Aktuatoren verleihen virtuellen Interaktionen einen realistischen Touch, wobei die Vibrationen ein natürliches und ansprechendes Gefühl der Reaktion vermitteln, z. B. bei der Simulation von Spielerlebnissen vom Fahren bis zum Abfeuern von Waffen.

Die Haptik kann eine entscheidende Rolle bei der Überwindung von Faktoren spielen, die das Sehen oder Hören bei der Erkennung kritischer Warnungen einschränken. Im medizinischen Bereich kann die Haptik beispielsweise dazu beitragen, dass schneller auf mehrere Eingaben reagiert werden kann, was sich in Situationen, in denen jede Sekunde über die Gesundheit entscheiden kann, als lebensrettend erweisen könnte.

Die Zukunft spüren: Anwendungen und Anwendungsfälle

Das Potenzial der Haptik wird nur durch die Vision der Entwicklungsteams begrenzt. Da AR und VR immer beliebter werden und sich künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) weiterentwickeln, wird die Haptik wahrscheinlich eine herausragende Rolle bei der Bereitstellung von immer mehr immersiven digitalen Erlebnissen in einer Reihe von Branchen spielen:

• In der Medizin spielt die Haptik bereits eine Rolle in der robotergestützten Chirurgie und bei invasiven zahnärztlichen Eingriffen, indem sie dazu beiträgt, die Erfahrung des Berührens und Fühlens zu reproduzieren, die Ärzte in jahrelanger Praxis erworben haben. In Kombination mit VR kann die Haptik das Erlernen medizinischer Fertigkeiten verbessern, indem sie reale Verfahren auf eine Weise simuliert, die praktische Erfahrungen ermöglicht, vom Umgang mit dem Skalpell bis zum Abtasten eines Herzens. Die Haptik kann zu Fortschritten bei der Rehabilitation von Patienten mit schweren Verletzungen führen, indem sie Schlaganfallopfern hilft, wichtige motorische Fähigkeiten wiederzuerlernen, und Amputierten die Möglichkeit gibt, die Einschränkungen mechanischer Prothesen zu überwinden.
• Im Automobilbereich bietet die Haptik den Autofahrern bereits taktile Warnungen für das Verlassen der Fahrspur und den falschen Griff des Lenkrads. Die Integration von Smartwatches in Navigationssysteme kann die Fahrer auf bevorstehende Abbiegevorgänge hinweisen, so dass sie ihren Blick nicht mehr auf die Karten auf ihren Bildschirmen richten müssen.
• In der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe werden Bedienungspersonal schwerer Maschinen und Beschäftigte an Produktionsstraßen leicht durch den Blick auf Tasten oder Bildschirme abgelenkt. Die Haptik kann dabei helfen, sich auf die vor oder hinter ihnen liegenden Aufgaben zu konzentrieren und sich zu vergewissern, dass sie die richtigen Entscheidungen getroffen haben, ohne den Blick abzuwenden. Haptik kann in Handschuhe und Kleidung integriert werden, um eine präzise Fernsteuerung von Maschinen zu ermöglichen, die Genauigkeit bei Kommissioniervorgängen zu erhöhen und in potenziell gefährlichen Umgebungen Rückmeldungen oder Warnungen zu geben.
• Im Einzelhandel und bei Finanzdienstleistungen erleben Kunden die Haptik bei alltäglichen Begegnungen mit Kassensystemen und Geldautomaten, z. B. bei der Bestätigung von Interaktionen mit Karten und mobilen Geräten. Die Kombination von Haptik und AR/VR birgt das Potenzial für reichhaltige Online-Einkaufserlebnisse, die es den Verbrauchern ermöglichen, virtuell zu replizieren, was sie in einem physischen Ladengeschäft erwarten.
• Die Unterhaltungselektronik hat sich ebenfalls als reif für die Haptik erwiesen. Das erste haptische Smartphones wurde auf der Consumer Electronics Show im Jahr 2000 vorgestellt, und die Technologie wurde schnell für Android- und Apple-Smartphones übernommen, zunächst um das Nutzungserlebnis beim Tippen auf virtuellen Tastaturen und beim Drücken von Bildschirmsymbolen zu verbessern. Aber die Haptik hatte schon früher Erfolg, als sie in den 1990er Jahren das Spielerlebnis bei Videospielen bereicherte: Controller und Zubehör wie Lenkradgabeln boten taktile Rückmeldung für Fahr- und Schießspiele, um nur einige zu nennen. Mit der fortschreitenden Entwicklung von Verbrauchergeräten und digitalen Diensten - von Fitness-Trackern über AR/VR-Headsets bis hin zu Brillen - rennen die Entwicklungsteams um die Wette, um neue Funktionen zu entwickeln, die die digitale Welt ebenso greifbar machen wie die physische.

Komponenten für den Erfolg: Optionen für jeden Bedarf

Beim Produktdesign kann auf leicht verfügbare Komponentenportfolios zurückgegriffen werden, um haptikfähige Schnittstellen zu entwickeln, die den Spezifikationen und Anwendungsanforderungen entsprechen.

Der erste Schritt besteht darin, die Unterschiede zwischen den verfügbaren Technologien und ihren Designanforderungen zu verstehen. Elektromechanische Komponenten sind die gebräuchlichste Technologie, um haptische Reaktionen zu erzeugen. Sie werden im Allgemeinen in die folgenden Hauptkategorien eingeteilt:

• Aktoren mit exzentrisch rotierender Masse (ERM) verwenden eine außermittig rotierende Masse, die mit einem Gleichstrommotor verbunden ist, um Vibrationen zu erzeugen, die niederfrequente „Rumpel“-Empfindungen hervorrufen können (Abbildung 1). Der Aktor schwingt mit einer Frequenz, die direkt mit der Betriebsspannung des Geräts korreliert. Da es nur eine kurze Zeit dauert, bis der rotierende Motor beim Anlegen der Spannung die gewünschte Drehzahl erreicht - und den Motor bis zum Stillstand abbremst -, eignen sie sich am besten für Anwendungen, bei denen ein spürbarer Vibrationseffekt erforderlich ist, aber nicht unbedingt präzise Vibrationsmuster benötigt werden. PUI Audio bietet mehrere ERM-Aktoren an, darunter den oberflächenmontierbaren HD-EMB1104-SM-2, der ein starkes haptisches Feedback in einem kleinen Gehäuse von 3,4 mm x 4,4 mm x 11 mm liefert. Er eignet sich für die Bereiche Medizin, Automobilelektronik oder Industrie, für Verbraucher oder tragbare Geräte sowie für Sicherheitsanwendungen. Eine weitere Option ist der bürstenlose DC-ERM HD-EM0602-LW15-R von PCI Audio, der eine bessere Drehzahl- und Drehmomentsteuerung sowie eine längere Lebensdauer als bürstenbehaftete Aktuatoren bietet.

Abbildung 1: Explosionszeichnung eines ERM-Aktuators. (Quelle: PUI Audio)

• LRA-Komponenten (Linear Resonant Actuator) (Abbildung 2) werden mit Wechselstrom betrieben und erzeugen eine Vibration in zwei Richtungen entlang einer Achse, was hochauflösende, reaktionsschnelle Vibrationsmuster zur Übermittlung von Informationen ermöglicht. LRAs erzeugen Schwingungen, indem sie die Masse in einer linearen Richtung bewegen, wenn die Spule mit der Frequenz und der Spannung des an das Gerät angelegten Signals erregt wird, was eine unabhängige Kontrolle über die Schwingungsstärke und -frequenz ermöglicht. Anders als bei ERMs spürt der Benutzer bei einem mit LRA ausgestatteten Gerät eine Vibration, sobald die Spule erregt wird und sich die Masse nach oben oder unten bewegt. Diese Technologie ist mit herkömmlichen Lautsprechern verwandt, bei denen eine Spule durch eine Wellenform angeregt wird, wodurch ein Magnet und eine Membran in Bewegung geraten und Schallwellen erzeugen. Der HD-LA1307-SM von PUI Audio ist ein wasserdichter, IP-zertifizierter, oberflächenmontierbarer LRA, der eine nahtlose Integration in verschiedene Endanwendungen wie Virtual-Reality-Umgebungen, Spielekonsolen, medizinische Simulatoren, Handheld-Geräte sowie Verbraucher- und Industriesteuerungsschnittstellen ermöglicht.

Abbildung 2: Explosionszeichnung eines LRA. (Quelle: PUI Audio)

• VCMs (Schwingspulenmotoren) oder VCAs (Schwingspulenaktuatoren) (Abbildung 3), verwenden die gleiche Schwingspulentechnologie wie LRAs, sind aber noch stärker an einen Lautsprecher angelehnt. Eine Masse bewegt sich linear, wie bei einem LRA, aber mit größerer Masse, was einen deutlicheren und realistischeren Vibrationseffekt erzeugt, als dies mit einem LRA möglich wäre. Der zylindrische VCM HD-VA2527 von PUI Audio bietet flexible und komplexe Vibrationseffekte.

Abbildung 3: Explosionszeichnung des VCA. (Quelle: PUI Audio)

• Piezoelektrische haptische Komponenten, oft auch als Piezo-Bieger oder Summer bezeichnet, basieren auf dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt und bestehen aus flachen Schichten aktiven piezoelektrischen Materials, die sich bei Anlegen einer Spannung verbiegen und zusammenziehen und so Schall und Vibrationen erzeugen. Sie sind als Scheiben wie der HD-PAB1501 von PUI Audio und als Streifen wie der HD-PAS2507 erhältlich. Piezo-Bieger können komplexere und detailliertere Signale, wie z. B. den Klang eines Herzschlags, mit einer noch nie dagewesenen Realitätsnähe wiedergeben. Diese Komponenten bieten eine höhere Verlagerungspräzision, eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit, eine größere Erzeugungskraft und eine längere Lebensdauer. Sie benötigen zwar eine höhere Spannung als ERMs und LRAs, aber die Entwicklungsteams können integrierte Schaltungen mit „Biegetreibern“ verwenden, um die Spannungsanforderungen von Niederspannungsquellen zu erfüllen.

Fazit

Für das Produktdesign können umfangreiche Komponentenportfolios genutzt werden, um Haptik in Geräte zu integrieren. Es muss beurteilt werden, welche Art von Vibration für die Konstruktion geeignet ist und welche Vorteile und Grenzen die einzelnen Aktuatoren haben, wenn es darum geht, die Konstruktionsspezifikationen, die Anforderungen der Endbenutzer und die spezifischen Anwendungen zu erfüllen. Mit den richtigen Designentscheidungen ist es möglich, neue haptikfähige Produkte zu entwickeln, die neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnen.