Хаптика: охватить неосязаемое

Пока что большую часть тактильных ощущений, с которыми мы сталкиваемся в мобильных устройствах, обеспечивает вибрация. Вообще, разноуровневая по силе и качеству вибрация в смартфонах создается довольно сложными устройствами, а о деталях этого процесса можно узнать здесь.

В Университете Южной Калифорнии разрабатывают и стоматологические симуляторы, чтобы студенты могли сначала тренироваться на виртуальных зубах. NeoSensory, компания, основанная нейробиологом из Стэнфорда Дэвидом Иглманом (David Eagleman), разрабатывает жилет с 32 вибродвигателями. Одним из его первых реальных применений будет преобразование звука в тактильные ощущения, чтобы сделать разговорную речь более понятной для людей с глубокой или полной потерей слуха.

Японский стартап H2L Technologies выпустил на рынок браслет, который подает небольшие электрические разряды и заставляет пользователя чувствовать реальную боль внутри виртуальной реальности. Благодаря электрической стимуляции браслет может имитировать целый ряд ощущений – от ловли мяча до пощипывания птицей кожи владельца.

Нидерландская организация прикладных научных исследований создала систему с использованием перчаток SenseGlove DK1, которая позволяет оператору взаимодействовать с удаленными объектами за много километров. Ее развитие может помочь военным и аварийно-спасательным службам выполнять опасные задачи без физического присутствия – например, космонавты получат возможность ремонта внешнего оборудования космического корабля без выхода в открытый космос. Стаффордширский университет (Великобритания) использовал SenseGlove DK1 для того, чтобы археологи могли взаимодействовать с керамическими артефактами из музейных коллекций, не повреждая их.

SenseGlove. easyengineering.eu

Новое поле в осязаемой тактильной технологии – это гаптография и мимикрия текстур. Компания TanvasTouch, например, создает программируемые текстуры, которые позволяют людям чувствовать материалы одежды – шерсть и шелк – перед онлайн-покупкой, своего рода «примерка по интернету». Фирма Interhaptics Engine воспроизводит широкий спектр текстурных ощущений, используя импульсы, которые могут обмануть механорецепторы кончиков пальцев, заставив их думать, что они касаются чего-то с определенной текстурой поверхности.

Густика (от латинского gustus – вкус) изучает вкус. Сладкий. Кислый. Соленый. Горький. Вкус еще сложнее, чем зрение или слух. За цветовое зрение, например, отвечают всего три типа рецепторов, а за восприятие горького вкуса – 25. Почему мы любим сладкое или соленое, например? Вкус сладкого в естественном виде сигнализирует о наличии калорий – эволюционно этот фактор много значил при выборе пищи. Соленый вкус указывает, что продукт содержит натрий или калий – минералы, важные для функционирования организма. Рецепторы горечи значимы, потому что продукты с горьким вкусом часто бывают токсичными – чувствительность к горькому вкусу имела решающее значение для выживания вида.

Механизм вкуса начинается на языке, где тысячи вкусовых рецепторов сосредоточены в сосочках – бугорках, которые легко увидеть, если высунуть язык и посмотреть в зеркало. Информация от химического стимула во вкусовых клетках преобразуется в сообщение, которое передается вкусовыми нервами в мозговой ствол, где происходит первоначальная обработка вкуса. Оттуда импульсы передаются в другие части мозга, где влияют на сознательное восприятие вкуса, эмоции и воспоминания.

Вкус поддается «автоматизации», потому что по своей сути это химический процесс. Датчики сладости реагируют на молекулы сахара. Кислотность является мерой pH, а умами пикантный или мясной вкус определяется рецептором глутамата. Только пятый основной вкус, горечь, плохо определен и может быть общим термином для нескольких различных химических реакций. Рецепторы горького, сладкого и умами, по-видимому, принадлежат к одному и тому же надсемейству рецепторов, связанных с G-белком.

Что нам всё это дает с точки зрения науки? Во-первых, мы могли бы модернизировать существующие вкусы, решая проблему массового голода. Во-вторых, могли бы развивать технологии: заказывать кофе по интернету из Никарагуа, а через минуту узнать его вкус в России – по крайней мере, в идеале.

Что из этого уже сделано? Еще в 1998 году команда японских исследователей во главе с Киёси Токо разработала электронный язык, оснащенный многоканальными электродами с липидно-полимерной мембраной. Когда его погружают в жидкость образца, молекулы вкуса в жидкости взаимодействуют с липидами и характерным образом изменяют электрический потенциал мембран. Коммерчески проект попытались воплотить в датчик электронного языка Astree II (Alpha MOS, Франция) и системы восприятия вкуса SA 402B и TS-5000Z (Intelligent Sensor Technology Inc., Япония). Сенсор электронного языка Astree II используется для различения образцов растворов, а SA 402B и TS-5000Z – для количественной оценки интенсивности каждого типа вкуса.

Российские ученые в 2022 году тоже представили свой вариант электронного языка. Разработка направлена на выявление патогенов. В основе языка лежит подложка с набором пикселей, каждый из которых представляет собой органический электролитический транзистор. На каждый пиксель нанесены молекулы – стрептавидин и ДНК-аптамеры, они в свою очередь взаимодействуют с молекулами патогена. Но эти устройства необходимы скорее для анализа продуктов, пользователю интереснее более прикладные разработки.

«Язык» от компании Norimaki Synthesizer передает вкус виртуальной еды. Он основан на электролитах, помещенных в пять гелей, контролирующих интенсивность пяти основных вкусов: кислого, сладкого, горького, соленого и умами. В процессе электрический заряд активирует миграцию микроскопических частиц. Когда устройство с пятью трубками касается языка, испытуемый воспринимает все пять вкусовых ощущений. Но когда применяются различные электрические заряды (напряжение там низкое, чтобы не причинить вреда), некоторые вкусы могут усиливаться, а другие – отступать. Потенциально подобные изобретения позволят нам есть и пить в виртуальной реальности с ощущением полного погружения.

Однако электронные языки не могут полностью воспроизвести ощущение вкуса. Большая часть того, что мы называем вкусом, на самом деле является запахом. Любой, кто когда-либо болел простудой, знает об этом. Вкусовой опыт основан на сложном взаимодействии ответов множества рецепторов.

Ольфакторика

Воссоздание запаха может быть самой сложной задачей – все зависит от того, нацелены мы на все возможные запахи или только на конкретное и небольшое их количество. Существующие технологии генерации обоняния в основном связаны либо с инструментами для создания запаха в закрытом помещении, либо с виртуальной реальностью. Запахами занимается ольфакторика.

Чтобы обеспечить персонализированные запахи в небольшой локализованной области, например, близкой к носу пользователя, носимые технологии должны учитывать очень много особенностей.

Во-первых, всю систему следует создавать на мягкой подложке в носимом или даже кожа-интегрированном формате, а значит – в миниатюрном размере, с минимальным весом. Во-вторых, нам придется включить в нее как можно больше запахов с регулируемой концентрацией, чтобы поддерживать долгосрочное использование без частой замены/обслуживания. В-третьих, обонятельный интерфейс надо программировать таким образом, чтобы поддерживать беспроводную работу и учитывать, что активировать устройство пользователь будет с приложения, например. В-четвертых, источники запаха должны быть биосовместимыми. В-пятых, для систем обоняния в приложениях виртуальной или дополненной реальности мы должны будем заложить быстрое время отклика при появлении или подавлении запахов. Опять же, зачем нам все это в повседневной жизни?

У ароматизированных устройств виртуальной реальности – долгая история. Их, например, используют в учебных симуляциях – при тушении пожаров, в экспозиционной терапии посттравматического стрессового расстройства. Ученые из Утрехтского университета обнаружили, что участники, подвергшиеся воздействию запаха, связанного с уборкой, демонстрировали более мотивированное поведение при уборке в виртуальной реальности. Исследования Наньянского технологического университета фиксировали у участников, попробовавших виртуальный пончик вместе с обонятельными сигналами, эффект насыщения. Запахи много значат для нас.

Американская компания OVR Technology работает над системой запахов для виртуальной реальности. Ее гарнитура INHALE 3 направлена прежде всего на расслабление: она содержит картридж с ароматами дыма, зефира, лаванды, розы и влажной почвы. Предполагается, что пользователь, например, разводит костер, дышит и таким образом отдыхает. Компания Feelreal обещает выпустить сенсорные маски для всех основных гарнитур виртуальной реальности. Эта маска вместе с программным обеспечением сможет воссоздавать запах, температуру, водяной туман и вибрацию, чтобы сделать VR более реалистичным. Есть по крайней мере одна визуально-обонятельная виртуальная игра – Fragra. Запах в ней доставляется по трубкам от стационарного устройства к запястью. Сама игра включает в себя выбор фруктов, их обнюхивание и исследование запаха.

Все технологии, которые пытаются привнести больше ощущений в виртуальную реальность, все же, по сути, обманывают наши органы чувств. Возможно, однажды мы упростим задачу и воссоздадим ощущения, полностью минуя органы – сразу через мозг. Прямая стимуляция мозга через мозговой имплантат, подобный системам Neuralink или Braingate, позволит нам чувствовать что угодно. Но скорее всего даже тогда мы продолжим изучать осязание, обоняние и вкус – знания о них пригодятся нам во многих областях, от парфюмов до медицины и роботостроения.