En touch av uppfinningsrikedom

Nu när fler och fler smarta telefoner och MP3-spelare har pekskärmsgränssnitt, har folk vant sig vid att interagera med prylar genom att bara trycka och svepa med fingrarna. Men på 11:e våningen i en byggnad i centrala Manhattan utvecklar forskarna Ilya Rosenberg och Ken Perlin från New York University ett gränssnitt som går ännu längre. Det är en tunn dyna som reagerar exakt på tryck från inte bara ett finger utan en rad föremål, som en fot, en penna eller en trumsticka. Och den kan känna av flera ingångar samtidigt.

Ken Perlin (till vänster), professor i datavetenskap vid NYU, och Ilya Rosenberg, en doktorand vid NYU, visar upp de plastark som är utgångspunkten för deras tryckkänsliga pekplattor.

Idén till plattan kom Rosenberg, en doktorand vid NYU, för några år sedan när han arbetade med en ledande polymer som kallas kraftavkännande resistorbläck, som ofta används i elektroniska keyboards. När tryck appliceras på bläcket omorienterar dess molekyler sig på ett sätt som ändrar dess elektriska resistans, vilket är lätt att mäta. Rosenberg använde ursprungligen bläcket för att skapa sensorer som kunde bäddas in under tennisbanans gränser för att automatisera linjesamtal, men han undrade om det kunde vara grunden för ett bra multitouch-gränssnitt för datorer. Han började samarbeta med Perlin, en professor vid NYU:s Media Research Laboratory, för att göra en tryckkänslig pekplatta för att ersätta en datormus.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Tryckkänsliga dynor har funnits i åratal, men de flesta har varit begränsade till enkla applikationer, som att känna av när en bilbarnstol är upptagen. Enheter som Palm Pilot, som använder en penna för att mata in data, upptäcker vanligtvis beröring genom att mäta förändringar i elektriskt motstånd när ett föremål trycker på skärmen. Men dessa skärmar kan bara registrera en enda touch åt gången. Pekskärmar på smarta telefoner använder under tiden en sensor som upptäcker förändringar i kapacitans, eller materialets förmåga att hålla en elektrisk laddning; Kapacitansen ändras när föremål som innehåller vatten – inklusive fingrar – rör sig över skärmen. Sådana skärmar kan känna av flera beröringar, men de kan inte upptäcka tryck.

Rosenberg och Perlins pekplatta, däremot, kombinerar vissa fördelar med alla dessa teknologier. Den kan samtidigt registrera trycket och placeringen av flera beröringar, och den kan enkelt och billigt krympas till storleken på ett hängsmycke eller skalas upp för att täcka en bordsskiva.

Målad plast
För att bygga en tryckkänslig pekplatta börjar Rosenberg med plastark som är något tjockare än ett papper. Han använder ett speciellt program för att designa ett mönster av linjer som kommer att skrivas ut på varje ark, och skräddarsy mönstret till enhetens avsedda användning. Linjerna är nedlagda på plasten i metall för att göra dem elektriskt ledande; arket täcks sedan med ett jämnt lager av det svarta tryckkänsliga bläcket. I bulk skulle de utskrivna sensorerna kosta cirka 100 USD per kvadratmeter, men eftersom dessa prototyper i bokstavsstorlek är engångsföreteelser kostar var och en cirka 100 USD.

Rosenberg placerar två av de förberedda arken mot varandra med polymerbläcksidan vänd inåt och orienterar dem så att de ledande linjerna skapar ett rutnät. Sedan klistrar han ihop arken med dubbelhäftande tejp. Var sjätte metalllinje slutar vid ena kanten av plastskivorna i en kort, flexibel svans som är ansluten till ett styvt kretskort med en klämma. Även om resten av kablarna inte är anslutna till elektronik, påverkar de de elektriska egenskaperna hos de aktiva ledningarna, vilket hjälper programvaran att sluta sig till var en beröring kommer ifrån.

Själva kretskortet innehåller ett mikrochip som är programmerat att skanna sensorplattan, vilket ger ström till varje aktiv ledning i snabb följd. Chipet omvandlar också tryckdata från en kontinuerlig analog signal till ett digitalt format som en dator kan tolka. Slutligen komprimerar den data och skickar den till en dator via en USB-anslutning eller (för musikapplikationer) en MIDI-port.

Programvara på datorn beräknar både positionen för föremål som kommer i kontakt med dynan och mängden tryck de utövar. Om ett föremål berör vid skärningspunkten mellan två ledande linjer, registrerar elektroniken en stark ström där; men ju längre bort från skärningspunkten den berör, desto svagare är strömmen på grund av bläckets resistivitet. Prototyper har redan tillräckligt hög upplösning för att exakt känna av finger- och penninmatning för surfplattor. För en enda beröring kan den registrera krafter från fem gram till fem kilogram med en felmarginal på 2,5 procent – ​​tillräckligt med räckvidd för att tolka det lätta trycket från en penna eller ett slag på en digital trumma. Perlin säger att eftersom så få av ledningarna behöver strömförsörjas kan större versioner av dynan uppnå liknande känslighet utan mycket mer komplexitet eller kostnad.

Marknadstryck
Dagens prototyper är en ogenomskinlig svart, så de är olämpliga som pekskärmsgränssnitt för mobiltelefoner och andra elektroniska prylar. Men ett så exakt och billigt tryckkänsligt gränssnitt har fortfarande många potentiella användningsområden, säger Perlin.

Rosenberg och Perlin har till exempel samarbetat med andra forskare i flera medicinska och vetenskapliga tillämpningar. Perlin säger att dynan kan läggas till skor för att övervaka gång och till sjukhussängar för att varna sjuksköterskor när en patient har varit stilla för länge, vilket ökar risken för trycksår. Dynan är till och med tillräckligt känslig för att mäta tryckvågor i vatten och luft; detta kan leda till bättre vätskedynamikmodeller som kan hjälpa till med design av flygplan och båtar. Idag använder forskare uppsättningar av individuella sensorer för att samla in sådan data, men de är för dyra att använda över ett stort område.

Tekniken är också användbar i multitouch-gränssnitt för elektroniska enheter. Patrick Baudisch, en forskare vid Hasso Plattner-institutet i Tyskland, har integrerat plattan på baksidan av en liten spelpryl, vilket effektivt har lagt till en ergonomisk touch-ingång: användare kan styra spelet utan att fingrar blockerar skärmen. Och Rosenberg tror att genom att använda en annan typ av tryckkänsligt bläck och göra linjerna tunnare kan han och hans kollegor bygga en transparent sensor som kan användas i pekskärmar på mobiltelefoner och surfplattor.

Rosenberg och Perlins pekplatta är mycket känsligare än andra motståndsavkännande enheter, säger Andy Wilson, en Microsoft-forskare som utvecklade Surface, ett kommersiellt tillgängligt multitouch-bord. Många av applikationerna fokuserar på att använda trycksensorn på intressanta sätt, säger han. Han tillägger dock att tekniken fortfarande är i ett tidigt skede, och det är svårt att säga hur mycket billigare den kommer att vara än dagens pekgränssnitt.

I april lanserade Rosenberg och Perlin Touchco, en startup som kommer att licensiera tekniken och ge designhjälp till företag som vill bygga in den i enheter som mobiltelefoner och e-läsare. Företagets ingenjörer undersöker ytterligare applikationer – som den första elektroniska handtrumman, vilket skulle vara omöjligt utan en sensor som kan ha så fin upplösning.

Så småningom kunde dessa tunna, diskreta pekplattor byggas in i praktiskt taget vilken yta som helst, vilket öppnar upp en ny dimension av multitouch-interaktion.

Dölj