Aktive vs. passive Haptik

Aktives haptisches Feedback basiert auf elektromechanischen Komponenten im Inneren von Geräten. Die häufigsten Anwendungen sind Gaming-Controller, die virtuelle Umgebungen simulieren, oder das Summen Ihres Smartphones. Anstatt ein Objekt aktiv zu erkunden, wird das haptische Feedback durch passive Erkundung/Körperkontakt wahrgenommen.

Überblick

Aktuell liegt das Hauptaugenmerk der Branche darauf, Bildschirminteraktionen und virtuelle Umgebungen greifbarer zu machen. Gleichzeitig macht die Materialwissenschaft große Sprünge bei der Veränderung physikalischer Eigenschaften von Objekten wie der Steifigkeit oder der Oberflächenstruktur. Aktives haptisches Feedback hat sich in der Unterhaltungselektronik und bei Alltagsgegenständen neben Smartphone-Anwendungen erst seit kurzem durchgesetzt. Die Liste zeigt unterschiedliche Anwendungsgebiete und verdeutlicht gleichzeitig die Schwierigkeit, gemeinsame Begriffe und Definitionen zu finden.

Taktile Displays

Technische Anwendungen lassen sich in zwei Bereiche unterteilen: Taktile und haptische Displays. Taktile Displays simulieren taktiles Feedback an den Benutzer, das in drei Arten von Eingaben an die Haut erfolgen kann: Vibration, statischer Druck, bei dem die Haut eingerückt wird, und seitliche oder tangentiale Hautdehnung.

Haptische Anzeigen

Haptische Displays simulieren kinästhetisches Feedback (= Force-Feedback) und lassen sich in resistives (Begrenzung der Bewegung des Benutzers) oder aktives Feedback (Unterstützung/Führung der Bewegung des Benutzers) unterteilen. Beispiele sind motorisierte Slider oder Zifferblätter wie der BMW iDrive. Haptische Anzeigen sind im Vergleich zu taktilen Anzeigen komplexer und erfordern leistungsstarke Aktoren sowie ein geschlossenes Regelsystem.

haptische aktuatoren

Aktuatoren

ERM – Eccentric rotating mass

Die älteste Methode zur Erzeugung um ein haptisches Feedback zu erzeugen, basiert auf einem Motor mit einem kleinen Gewicht, das exzentrisch auf der Welle. Die Kraft wird in zwei Achsen erzeugt senkrecht zur Welle des Motors erzeugt. Sie waren früher in allen Smartphones zu finden und erzeugen die charakteristischen Vibrationen. Die Amplitude (Stärke) wird bestimmt durch die Frequenz (Drehzahl) des Motors. ERMs sind gleichstrombetrieben.

LRA – Linear resonance actuators

In LRAs drückt eine Schwingspule einen Magneten gegen eine Feder. Durch Anlegen einer Wechselspannung führt diese oszillierende Bewegung zu einer vibrotaktile Rückmeldung in einer einzigen Achse. Die Rückmeldung von einem LRA ist gezielter und sauberer im Vergleich zu ERMs, weshalb sie den größten Teil des Marktes erobert haben. Ein LRA ist auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt basierend auf der internen Feder [Resonanz Frequenz]. Dies ermöglicht die Steuerung der Schwingungsamplitude, ohne die Frequenz Frequenz bis zu einem gewissen Grad zu beeinflussen.

Oberflächenwandler

Wenn man die Membran eines Lautsprechers entfernt, erhält man die nackte Schwingspule. Auf einer Oberfläche angebracht, wandelt sie ein Eingangssignal in eine akustische oder in diesem Fall taktile Rückmeldung. Sie sind sehr ähnlich zu LRAs und benötigen ebenfalls eine Wechselspannung.

Hubmagnete

Ein naher Verwandter des LRA ist der Hubmagnet. Er ist im Vergleich nicht auf eine oszillierende Bewegung, sondern beschleunigt eine Masse, bis sie einen mechanischen Anschlag erreicht Anschlag erreicht. Eine Feder drückt die Masse zurück zu ihrem Ursprung. Magnete sind gleichstrombetrieben und erzeugen, je nach Größe, eine sehr hohe Stoßkraft.

Beschleunigter Stößel

Eine Mischung aus einem LRA und einem Elektromagneten sind beschleunigte Stößel oder lineare Wandler. Sie sind größer dimensioniert und erzeugen einzelne Impulse und Schwingungen durch Beschleunigen und Anhalten einer internen Masse durch ein elektromagnetisches Feld in zwei Richtungen beschleunigt und gestoppt wird. Unter Fall des Tac-Hammers (Nanoport) eine Seite mit einem mechanischen Anschlag für ein klickendes Gefühl, während die gegenüberliegende Seite einen magnetischen Anschlag für eine sanfte Rückmeldung. Sie werden meist mit Wechselspannung betrieben.

https://blog.piezo.com/hapticactuators-comparing-piezo-ermlra

https://www.precisionmicrodrives.com/content/ab-020-understandinglinear-resonant-actuatorcharacteristics/

leica

Coporate Haptics

Die Nutzung von haptischem Feedback, um Nutzer eines Produktes zu signalisieren, dass zum Beispiel eine Aktion erfolgreich ausgeführt wurde, kann das Produkt sowie das Markenerlebnis erheblich beeinflussen.

Im Vergleich sind beispielsweise die zwei Stifte sowie zwei Kameramodelle zu sehen. 

Oben sind zwei Produkte der gleichen Kategorie abgebildet, beide weisen allerdings unterschiedliche Charakteristiken im Bezug Haptik auf.

Der Stift „Sharpie“ ist dafür bekannt, dass es sehr auf die Rückmeldung beim Schließen des des Verschlusses einen deutlichen “Klick” von sich gibt. Das macht in diesem Fall

einen professionelleren und hochwertigeren Eindruck und verleiht dem Produkt Charakter.

Die Einstellräder der SIGMA Kamera sind sehr schwammig und das Feedback fühlt sie sich undefiniert an. Bei der Leica Q2 haben die Bedienelemente einen sehr mechanischen, präzisen und klaren Charakter, der sicherlich zum Branding und Preisniveau passt.

https://sg.leica-camera.com/Photography/Leica-Q/Leica-Q2/Details

https://www.sharpie.com

Tangible Interface

Tangible User Interface (TUI)

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Wenn Nutzer mittels digitaler Technologien in die physikalische Welt eingreifen und dort Objekte beeinflussen, spricht man von sogenannten greifbaren (engl. tangible) Interfaces.

Der Kerngedanke des Prinzips “Tangible User Interface” ist es, dem Benutzer eine, auf dessen physikalischen Erfahrungen mit der realen Umwelt basierende, Interaktion mit der digitalen Repräsentation von Informationen zu ermöglichen. Ziel ist es die Interaktion über eine Schnittstelle im dreidimensionalen Raum stattfinden zu lassen und haptisch erfahrbar zu machen. “Mit Tangible Interfaces agieren wir in unserer materiellen Umgebung und berühren das Interface selber.”

E. Hornecker. Die Rückkehr des Sensorischen:
Tangible Interfaces und Tangible Interaction. In
Mensch-Computer-Interface. Zur Geschichte und Zukunft der Computerbedienung, pages 235–256. Transcript Verlag, 2008.
Interacting with a dynamic shape display

Im Video gezeigten Beispiel nutzt ein Teilnehmer einer Videokonferenz eine spezielle Anzeige Matrix, welche durch bewegliche Stifte und Aktoren die Form sowie die Bewegungen der Hände emuliert.

https://dist.famnit.upr.si/en/seminar-grand-challe

Ein über der Oberfläche montierter Projektor bietet Kontext zu den Shapeshifting-Pins, wodurch sie Farbe und Hervorhebungstiefe erhalten. In einem vom MIT veröffentlichten Video wird die Matrix gezeigt, wie sie eine Kugel bewegt, ein Buch spiegelt, 3D-Diagramme anzeigt und eine extrem sichtbare Smartphone-Benachrichtigung gibt.

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https://dist.famnit.upr.si/en/seminar-grand-challe

Bei Verwendung in Verbindung mit einem Kinect-Sensor wird inFORM viel interessanter. Der Sensor ist in der Lage, die Position von 3D-Objekten genau abzubilden und zu interpretieren, und das System des MIT verwendet diese Daten, um es Ihnen zu ermöglichen, die Stifte der Tabelle nur mit den Händen zu bewegen. Dies kann sogar remote funktionieren, wie das Video zeigt, das zeigt, wie ein MIT-Mitarbeiter über eine Videokonferenz mit Gegenständen interagiert.

screenshot: https://vimeo.com/79179138
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https://dist.famnit.upr.si/en/seminar-grand-challe

Das MIT erwähnt, dass es “eine Reihe von Anwendungsdomänen” für inFORM erforscht. Zu den wichtigsten Interessengebieten gehören 3D-Visualisierungen von CT-Scans und anderen medizinischen Anwendungen, Geräteinteraktion und die Manipulation physikalischer Objekte. Es ist auch sehr an Kartierungs- und Geländemodellen interessiert, die von Stadtplanern und Architekten verwendet werden könnten, um 3D-Designs besser zu visualisieren und zu teilen. Die MIT Tangible Media Group, die für die Gründung von inFORM verantwortlich ist, sagt, dass sie derzeit mit der Changing Places-Gruppe des MIT zusammenarbeitet, um die Möglichkeiten für Stadtplaner zu erkunden.

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https://dist.famnit.upr.si/en/seminar-grand-challe

Derzeit interagieren wir noch über grafische Benutzeroberflächen (GUIs) mit Computern, während das Projekt inFORM eine taktile Benutzeroberfläche (TUI) bieten.

MIT vergleicht TUIs mit einem digitalen Eisberg: Nur die Spitze der digitalen Inhalte taucht “über Wasser” in den physischen Bereich auf. Das Endspiel, das an TUIs vorbeigeht, ist Radical Atoms, eine Zukunft, in der “alle digitalen Informationen physische Manifestation haben … als ob der Eisberg aus den Tiefen auferstanden wäre, um seine versunkene Masse zu offenbaren”.

Quellen:

https://www.medien.ifi.lmu.de/lehre/ws1011/mmi2/mmi2_uebungsblatt1_loesung_koelle.pdf

https://www.theverge.com/2013/11/13/5098926/mit-inform-dynamic-shape-display-video

https://www.thisiscolossal.com/2013/11/inform-an-interactive-dynamic-shape-display-that-physically-renders-3d-content/

https://tangible.media.mit.edu/project/inform/

Haptic table top puck

Haptic Table Top Puck

Der “haptic table top puck” ist eine art Computermaus, mit der es möglich digitalen Benutzeroberflächen in die physikalische Welt zu bringen.

Haptic Tabletop Puck – Youtube

Ein User Interface muss nicht gezwungenermaßen nur zweidimensional sein. Das Gerät ist eine zusätzliche Peripherie, mit welcher es möglich ist die Beschaffenheit sowie die Reibung von Oberflächen mittels einem taktilen Feedback zu imitieren.

Haptic Tabletop Puck

Das Signal mittels eines Kolbens an einen Finger weitergegeben. Der Kolben fungiert nicht nur als Aktor, auch eingaben durch Drücken des Kolbens können bestimmte Aktionen triggern.

Aufbau Haptic Tabletop Puck

Um eine Oberflächenreibung zu simulieren ist der Puck mit einer zusätzlichen Bremse ausgestattet, die mittels Servo dosiert wird.

Prototype Haptic Tabletop Puck

Quellen:

https://www.researchgate.net/publication/215660714_The_Haptic_Tabletop_Puck_Tactile_feedback_for_interactive_tabletops/figures

Haptik - Feedback - Hapticons

Hat Haptik eine globale Sprache?

Hapticons sind haptische Muster wie ein benutzerdefiniertes Vibrationsmuster, das ein Telefon ausgibt, wenn ein bestimmter Freund anruft. Es kann auch verwendet werden, um komplexere Informationen zu kommunizieren, sogar das vollständige Alphabet, aber diese Muster müssen vorher gelernt werden und werden nur von einer bestimmten Gruppe von Menschen verstanden. 

Ein wichtiger Faktor ist die Häufigkeit, mit der der Benutzer das Feedback erhält. Wenn er mehrmals am Tag damit in Berührung kommt, kann dies von Vorteil sein und sich schnell in seinen Alltag integrieren.

Mit Hapticons können auch Stimmungen bzw. Emotionen angemutet werden, die je nach Kontext einer Anwendung dem Nutzer etwas signalisieren.

Hapticons

Durch die Intensität bzw. durch die Frequenz eines Vibrationsmusters können bestimmte Reaktionen angemutet werden. Als Beispiel werden Vibrationsmuster mit einem gleichmäßig ansteigenden Frequenzband, von Nutzern durchwegs als positives Feedback wahrgenommen.

Hapticons

https://medium.muz.li/haptic-ux-the-design-guide-for-building-touch-experiences-84639aa4a1b8

Haptik - Feedback - aktiv - passiv

Welche Arten von Haptiken gibt es?

Derzeit liegt das Hauptaugenmerk der Branche darauf, Bildschirminteraktionen und virtuelle Umgebungen greifbarer zu machen. Gleichzeitig macht die Materialwissenschaft große Fortschritte bei der Veränderung der physikalischen Eigenschaften von Objekten wie der Steifigkeit oder der Oberflächenstrukturen. Aktives haptisches Feedback wurde neben Smartphone-Anwendungen erst seit kurzem in der Verbraucherelektronik und in Alltagsgegenständen immer beliebter. Die Liste zeigt verschiedene Anwendungsbereiche und zeigt gleichzeitig die Schwierigkeit, gemeinsame Begriffe und Definitionen zu finden.

Eine Passive Haptik ist eine physikalische Eigenschaft eines Materials. Hierzu zählen Parameter wie: Größe, Gewicht, Oberflächenbeschaffenheit, und Temperatur eines Gegenstandes. 


Eine aktive Haptik ist, wenn ein physikalisches Feedback emuliert wird.
Apple hat bei seinen MacBooks nun überall diese Trackpads mit der sogenannten Taptic Engine verbaut. Diese reagiert auf Druckkraft und kann durch eingebaute Aktuatoren, dem Nutzer, kontextbasierend ein Feedback zurückgeben.

Taptic Engine – Detail
Apple MacBook – Trackpad

Im Vergleich zu allen anderen Sinnen ist die haptische Wahrnehmung bidirektional. Um Informationen aus unserer Umgebung zu erhalten, müssen wir sie aktiv untersuchen und / oder manipulieren. Wir müssen ein Objekt anheben, um sein Gewicht zu bestimmen oder eine Erdbeere leicht mit den Fingern zusammendrücken, um ihre Reife zu bestimmen.

Jones, L.A., 2018. Haptics, The MIT Press essential knowledge series. 
The MIT Press, Cambridge, Massachusetts.

Apple Watch – Digital Crown
https://developer.apple.com/design/human-interface-guidelines/

Haptik - Feedback - Sensitivity skin

Wie nehmen wir Haptik wahr?

Die haptische Wahrnehmung ist ziemlich ähnlich zur auditiven Wahrnehmung. Haptisches Feedback sind Frequenzen die über die Haut wahrgenommen werden. Die menschliche Haut reagiert auf Frequenzen zwischen 0.4 und 1000 Hz. Im Frequenzbereich zwischen 300 und 400 Hz reagiert unsere Haut besonders empfindlich.

» At a location with high sensitivity a vibration can be of lower intensity to get the same perception of intensity. « 

Rovers, A.F., van Essen, H.A., n.d. Using Active Haptic Feedback in Everyday Products.

In dieser Grafik werden die empfindlichsten Körperregionen dargestellt-

https://journals.plos.org/plosone/article/figure?id=10.1371/journal.pone.0031203.g002

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0031203

Jones, L.A., (2018). Haptics, The MIT Press essential knowledge series. The MIT Press, Cambridge, Massachusetts.

haptik - sense of touch

Was ist Haptik?

Haptisches Feedback oder auch als taktiles Feedback bezeichnet tritt auf, wenn Vibrationsmuster und Wellen verwendet werden, um Informationen an den Nutzer eines elektronischen Geräts zu übertragen. 

“Taktil” bedeutet “berühren”, was hier angemessen ist, wenn man bedenkt, dass viele Produkte heutzutage darauf ausgelegt sind, Informationen per Berührung an ihre Benutzer weiterzuleiten. Telefone und Tablets mit Touchscreens sind hervorragende Beispiele für Produkte, die taktiles Feedback verwenden. 

In der Vergangenheit waren Audiofeedbacks in Form von Glocken und Alarmen häufiger. Taktiles Feedback ist ein zeitgemäßer Ansatz für dasselbe Grundprinzip.

Haptik ist ein physisches Signal, welches vom menschlichen Körper wahrgenommen werden kann. Haptische Feedbacks werden beispielsweise dazu genutzt, um Nutzer eines Mobiltelefons mitzuteilen, dass gerade im Moment ein Anruf eingeht oder eine Nachricht empfangen wurde. 

Es kann aber durchaus im Kontext von Accessibility angewendet werden. Die Einführung von berührungsgesteuerten Benutzerschnittstellen im öffentlichen Raum, am Beispiel eines Geld- oder Ticketautomaten, erleichtert zwar die Reinigung der Geräte und ermöglicht die Individualisierbarkeit der dargestellten Inhalte, allerdings wurde dadurch die Gestaltung von inklusiven Benutzerschnittstellen wesentlich erschwert. 

Die Einbindung von haptischen Feedbacks hilft Nutzern mit eingeschränktem Sehvermögen beim Bedienen von Touchscreens an öffentlichen Geld- oder Ticketautomaten mit Touchscreen. 

Dabei wird das haptische Feedback verwendet, um konventionelle mechanische Bedienelemente, auf berührungsempfindlichen Benutzerschnittstellen zu emulieren. Nutzer haben so den Eindruck, als würde eine mechanische Taste ausgelöst werden.

Das Apple iPhone 7 war das erste Smartphone von Apple ohne mechanischem Home-Button. Der mechanische Knopf wurde durch eine drucksensitive elektronische Komponente ersetzt. Der “Klick” wird durch ein haptisches Feedback eines Vibrationsmotors simuliert. So lassen sich auch unterschiedliche Druckstufen parametrieren.

Beispiel – Nextsystem

Das österreichische Unternehmen „nextsystem“ konzentriert sich auf die Entwicklung von Touchscreens mit einem fühlbaren haptischen Feedback für medizinische, industrielle und öffentliche Einsatzzwecke.

Haptik - Taktil - Barrierefrei
Barrierefreie Bedienung am Geldautomaten

Quellen

https://www.nextsystem.at/wp-content/uploads/2020/01/haptic-touch

https://www.nextsystem.at/portfolio-item/haptics/

https://medium.muz.li/haptic-ux-the-design-guide-for-building-touch-experiences

https://medium.com/@martynreding/

https://www.hallmarknameplate.com/tactile-feedback-works/

https://citeseerx.ist.psu.edu

Art-Machine-Haptic

Affordance++

Das Projekt Affordance++ zeigt eine Möglichkeit, dass Objekte und Gegenstände den Nutzern zeigen wie sie zu verwenden sind. Mittels elektrischer Ströme werden die Muskeln der Probanden zu einer Bewegung animiert.

Am Beispiel des Experiments mit der Spraydose von Pedro Lopes werden Nutzer aufgefordert, mit einer Sprühdose, eine Form auf ein Blatt Papier zu sprühen. Alle Probanden wollten sofort mit dem Sprühen beginnen. Nun wurden diese aber durch die elektrische Muskelstimulation – EMS daran erinnert, die Dose vor der Benutzung zu schütteln, damit sich die Inhaltsstoffe in der Dose vermengen. Das Design einer Spraydose animierte die Nutzer nicht zum Schütteln. Pedro Lopes hat diesen wichtigen Schritt in sein Experiment integriert, um zu zeigen, wie es gelingt, dass Nutzer von Produkten und Objekten gelernt bekommen, wie diese ordnungsgemäß zu verwenden sind um mögliche Fehler in der Benutzung zu vermeiden.

Die Möglichkeit, mit virtuellen Objekten zu interagieren zeigt ebenso ein Experiment von Pedro Lopez. Ein Spieler bewegt sich mittels VR-Brille in einem virtuellen Raum. Beim Berühren von virtuellen Wänden erfahren die Spieler durch elektrische Signale ein haptisches Feedback. 

Die Aufgabe im Spiel ist es mit großen Würfeln zu interagieren und diese von A nach B zu befördern. Sobald der Spieler mit einem Würfel interagiert, wird die Masse des Würfels durch die elektrische Muskelstimulation – EMS Simuliert und überträgt sich somit auf den Spieler.

Das Projekt “Ad infinitum” von Pedro Lopez wurde im Jahr 2017 im Zuge des Ars Electronica Festivals vorgestellt. Die Installation zeigt, wie kinetische Energie von Menschen abverlangt werden kann indem mittels elektrischer Energie die Handgelenksmuskulatur stimuliert wird. 

Der Proband greift nun nach dem Griff und lässt die Muskelstimulation seine Muskeln in eine unwillkürliche und automatische Kurbelbewegung führen. Diese kinetische Energie von der Kurbel wird über einen Dynamo in die Maschine zurückgeführt und zur Stimulation wiederverwendet.

Sources:

https://ars.electronica.art/festival/

http://plopes.org/project/ad-infinitum/

https://www.materialtimes.com/

https://www.mentalfloss.com/article/93736