Quantifizierung der Weichheit haptischer Schnittstellen:Eine neue Formel für realistische Berührungen

University of California, San Diego

Forscher haben eine Formel entwickelt, die es ihnen ermöglicht, unterschiedliche Grade der wahrgenommenen Weichheit wiederherzustellen. Basierend auf den Ergebnissen ihrer Experimente erstellten sie Gleichungen, mit denen berechnet werden kann, wie weich oder hart sich ein Material auf der Grundlage der Materialdicke, des Elastizitätsmoduls (ein Maß für die Steifigkeit eines Materials) und mikrostrukturierter Bereiche anfühlt. Die Gleichungen können auch das Gegenteil bewirken und beispielsweise berechnen, wie dick oder mikrogemustert ein Material sein muss, um ein bestimmtes Maß an Weichheit zu spüren.

Speziell entwickelte Materialien imitieren unterschiedliche Grade der wahrgenommenen Weichheit. (Foto:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Die Forscher untersuchten zunächst zwei Parameter, die zur Messung der wahrgenommenen Weichheit eines Materials verwendet werden:die Eindringtiefe (wie tief eine Fingerspitze in ein Material drückt) und die Kontaktfläche zwischen der Fingerspitze und dem Material. Normalerweise ändern sich diese Parameter gleichzeitig, wenn eine Fingerspitze auf ein Objekt drückt. Es wurden speziell entwickelte Materialien entwickelt, die die beiden Parameter entkoppelten und sie dann an menschlichen Probanden testeten. Die Forscher schufen neun verschiedene Elastomerplatten, jede mit ihrem eigenen, einzigartigen Verhältnis von Eindrücktiefe zu Kontaktfläche. Die Platten unterschieden sich im Ausmaß der Mikrostrukturierung auf der Oberfläche, in der Dicke und im Elastizitätsmodul.

Mikromuster bestehen aus Anordnungen erhabener mikroskopischer Säulen, die auf der Oberfläche der Platten verteilt sind. Die winzigen Säulen ermöglichen es einer Fingerspitze, tiefer zu drücken, ohne die Kontaktfläche zu verändern. Die Platten wurden an 15 Probanden getestet, die angewiesen wurden, zwei Aufgaben auszuführen. In der ersten Aufgabe präsentierten sie den Probanden mehrere Plattenpaare und forderten sie auf, in jedem Paar die weichere zu identifizieren. In der zweiten Aufgabe ließen die Forscher die Probanden die neun Platten von der weichsten zur härtesten einstufen.

Insgesamt waren die Platten, die die Probanden als weicher empfanden, dicker, hatten kaum bis gar keine Mikromuster auf der Oberfläche und hatten einen niedrigen Elastizitätsmodul. Platten, die sich härter anfühlten, waren hingegen dünner, hatten mehr Mikromuster und einen hohen Elastizitätsmodul.

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