Als het aan het Britse bedrijf Ultrahaptics ligt, hoeft een automobilist zijn blik niet langer van de weg te halen om radio en airco te bedienen. Geluidsgolven creëren onzichtbare, maar wel voelbare knoppen die in de lucht zweven. De automobilist kan dan met een handgebaar de radio harder of zachter zetten.

tekst Jim Heirbaut

Het Skype-gesprek begint met een verontschuldiging. ‘Let maar niet de op de kale witte muren achter me. We zijn vandaag net verhuisd naar dit nieuwe kantoor.’

Tom Carter, CTO van Ultrahaptics.

Aan het woord is de Engelsman Tom Carter. Het bedrijf Ultrahaptics uit Bristol dat hij twee jaar geleden mede oprichtte en waarvan hij nu chief technology officer (CTO) is, is nu al uit zijn eerste jasje gegroeid.

Tot voor kort zat het met andere start-ups in een bedrijfsverzamelgebouw, maar nu heeft het bedrijf zijn eigen stek. Ultrahaptics haalde al miljoenen aan investeringsgeld binnen. Momenteel heeft het 26 medewerkers, eind van dit jaar moeten dat er al 40 zijn. Het promotieonderzoek van de 27-jarige Carter aan de University of Bristol, waar het allemaal mee begon, staat stevig in de pauzestand.

Ultrahaptics werkt dan ook aan bijzondere technologie: de ingenieurs van het bedrijf bundelen geluidsgolven in de lucht om zo vanuit het niets ‘knoppen’ te creëren die je kunt voelen en bedienen.

Dat klinkt misschien zweverig, maar ze hebben bewezen dat het werkt. En er is nog meer mogelijk: het ultrageluid kan op de vingertoppen een sensatie opwekken die lijkt op kleine belletjes die knappen, of op een stroompje vloeistof.

Bedrijven staan dan ook in de rij om samen te werken met Ultrahaptics. Eerder dit jaar presenteerde Harman, een bouwer van dure stereo’s, een prototype dat is te bedienen met handbewegingen in de lucht. Autobouwer Jaguar Land Rover wil eenzelfde systeem voor het bedienen van het infotainmentsysteem in zijn duurdere modellen.

‘Ook met andere autoproducenten werken we samen’, vertelt Carter. En vanuit de zorg is er eveneens belangstelling.

 

Zenuwuiteinden

De oorsprong van de contactloze haptische feedback ligt in de jaren zeventig. Onderzoekers ontdekten dat geluid de bovenlaag van de huid kan beïnvloeden en bij voldoende hoge intensiteit zelfs een stukje kan  binnendringen. ‘Ik heb gehoord van Russische onderzoekers die behoorlijk enge dingen deden’,  vertelt Carter. ‘Met geluid slaagden zeer bijvoorbeeld in om zenuwuiteinden direct te prikkelen.’ Voor deze techniek zijn echter zodanig sterke akoestische velden nodig dat dit in de praktijk lastig is uit te voeren.

Ik heb gehoord over Russische onderzoekers die behoorlijk enge dingen deden

Carter en zijn collega-onderzoekers aan de University of Bristol voor geluid met lagere energie. Dit ultrageluid wordt op het oppervlak van de huid gefocust, waar het voelbaar is.

Daar maakt Ultrahaptics slim gebruik van, met uitgekiende algoritmes die berekenen hoe luidsprekertjes samen hun geluid focusseren op de vingertop van een gebruiker. Carter: ‘Op die manier kunnen we een geluidsniveau halen dat hoog genoeg is om de huid van je vingertop een beetje te verplaatsen. Je voelt een tinteling of een duwtje.’

Overigens gebruiken de speakertjes frequenties die ruim boven de gehoorgrens liggen – anders zou je gek worden.

 

Prikje

Maar hoe krijg je het nu voor elkaar om een vinger een prikje te laten voelen? Wanneer een enkele, losse luidspreker een toon uitzendt, is op elk moment precies bekend wat op elk punt in de ruimte de fase en  amplitude is van het geluid.

Bij een paar honderd van die kleine luidsprekers naast elkaar in een rooster gaat de redenering nog steeds op; de geluidsniveaus van de luidsprekers moeten alleen bij elkaar worden  opgeteld. Dat mag, want geluid is een lineair verschijnsel. De waarden van fase en amplitude op elk punt in de ruimte noemt Carter een geluidsframe.

 

Twee geluidsgolven die door elkaar lopen, vertonen interferentie; op sommige plaatsen doven ze elkaar uit, op andere verstereken ze elkaar juist. (illustratie Marcel Groenen)

 

Ultrahaptics gebruikt dit principe om haptische feedback in de lucht te creëren. Honderden luidsprekertjes zenden geluidsgolven uit, die door elkaar gan lopen. Geavanceerde algoritmes zorgen ervoor dat precies op de jusite plek de opgetelde amplitude het grootst is. De vinger neemt een tinteling waar of voelt zelfs een driedimensionale vorm. (illustratie Marcel Groenen)
 

 

In de jaren zeventig brak de technologie niet door vanwege de zware berekeningen die nodig zijn om de vele geluidsbronnen precies op elkaar af te stemmen. ‘Zelfs toen ik een paar jaar geleden met dit principe aan de slag ging, konden we maar één geluidsframe per twintig minuten berekenen. Nu zitten we op honderdduizenden frames per seconde’, vertelt Carter.

Daarmee ligt de toepassing van haptische feedback in  consumentenelektronica in het verschiet. ‘De smartphone is er nog net niet krachtig genoeg voor, maar veel scheelt het niet meer.’

De smartphone is er nog niet krachtig genoeg voor, maar veel scheelt het niet meer

De crux bij het razendsnel berekenen van de juiste ingangssignalen voor de luidsprekertjes zit hem enerzijds natuurlijk in de rekenkracht die processoren vandaag de dag hebben, maar aan de andere kant kan Ultrahaptics ook niet zonder uitgekiende wiskunde. Carter heeft overigens zelf een achtergrond in informatica.

Gebaseerd op dezelfde principes zijn veel meer ingewikkelde dingen mogelijk dan een prikje in de huid. Een reeks opeenvolgende prikjes die zich steeds een stukje verplaatsen, voelen bijvoorbeeld aan als een lijn. En een onregelmatige reeks zachte prikjes op een vingertop bootst het gevoel na dat je krijgt als je met je vingertop over een ruw oppervlak glijdt.

We proberen ook warmte na te bootsen

‘Je geeft een bepaalde combinatie impulsen aan de huid, maar het brein ervaart dat als iets anders. Dat noemen we tactiele illusies. Zo proberen we ook warmte na te bootsen. Daarbij is erhelemaal geen sprake van een echt warm oppervlak, maar de tastcellen in de huid geven signalen aan de hersenen door die daar een soortgelijk effect opleveren.’

Er bestaat zelfs een illusie die ‘konijn op je arm’ heet. Door achtereenvolgens bij de pols en bij de elleboog te tikken voelt het alsof daartussen ook tikjes worden gegeven – net als een konijntje dat springend van pols naar elleboog gaat.

 

Veiligheid

Een belangrijke toepassing van haptische feedback is te vinden in de auto.

Om de radio of het navigatiesysteem te bedienen gaat de bestuurder nu nog met zijn hand naar (meestal) de middenconsole om daar op wat knoppen te drukken of eraan te draaien. Daarbij moet de blik even van de weg, wat niet bevorderlijk is voor de veiligheid. Met een touchscreen is de bestuurder helemaal snel afgeleid.

Met de vinding van Ultrahaptics haalt de bestuurder zijn hand van het stuur, houdt hem in de lucht en voelt bij zijn vingers een lichte tegendruk ten teken dat het systeem de knoppen heeft klaargezet. Vervolgens kan hij zijn wijsvinger buigen om het volume te verhogen en zijn middelvinger om hette verlagen enzovoorts.

We kunnen de bestaande fysieke vormen loslaten

Ultrahaptics kan zelfs een ronde draaiknop simuleren in de palm van de hand, waar de bestuurder aan kan draaien. ‘Maar het mooiste is eigenlijk dat we de bestaande fysieke vormen kunnen loslaten. Die zijn ontstaan op een fysiek apparaat, maar eigenlijk kunnen we nu geheel nieuwe gebaren bedenken’, zegt Carter.

 

Infraroodcamera's

Cruciaal bij dit alles is dat het systeem voortdurend exact weet waar hand of vingers zich in de ruimte bevinden. Er is immers geen vast punt, wat bij een touchscreen wel het geval is. In het ontwerp van Ultrahaptics volgen infraroodcamera’s de vingers en ze zorgen dat de geluidsgolven steeds op de juiste plek worden gefocusseerd.

De auto is dus een logische plek om contactloze haptische feedback toe te passen, maar ook in de zorg of de voedselindustrie liggen mogelijkheden. Dat zijn plekken waarbij besmetting op de loer ligt en het dus handig kan zijn dat een arts even geen bedieningspaneel aanraakt. ‘Of als je staat te koken en net vieze handen hebt omdat je kip hebt staan snijden, dan wil je je fornuis ook niet aanraken.’

 

Met deze techniek kan Ultrahaptics zelfs voelbare,m aar onzichtbare driedimensionale vormen boetseren, zoals schuiven of draaiknoppen, bijvoorbeeld voor in de auto. (illustratie Marcel Groenen)

 

En wat te denken van virtual reality, die dit jaar met het op de markt komen van verscheidene VR-brillen lijkt door te breken bij het grote publiek. Stel je voor dat je in die virtuele wereld niet alleen kunt rondkijken, maar ook voorwerpen kunt aanraken. Dat geeft die virtuele wereld een extra laag ‘echtheid’.

Als je staat te koken en net vieze handen hebt omdat je kip hebt staan snijden, dan wil je je fornuis ook niet aanraken

Ultrahaptics is nog lang niet klaar met het kneden van geluidsgolven; de trucs worden steeds geavanceerder. Zo lukt het nu zelfs om in de lucht een driedimensionale vorm te modelleren. Denk aan een bol, kubus of piramide die je met je vingers kunt voelen. Het moet een bijzonder gevoel zijn.

Overigens is de kracht die het ultrageluid opwekt, altijd beperkt. Voel je een knopje of zo’n 3D-vorm, dan kun je daar altijd doorheen duwen. ‘De kracht die we met gebundeld geluid kunnen uitoefenen, is en blijft veel kleiner dan de kracht van je arm’, aldus Carter.



BEWEGENDE BALLETJES

Aan de Britse University of Essex gebruiken onderzoekers het ultrageluid om kleine balletjes van polystyreen te laten zweven, een proces dat ze akoestische levitatie hebben genoemd. De gecombineerde geluidsgolven uit de luidsprekers maken hierbij een soort kuiltje in de lucht, waaruit zo’n vederlicht balletje niet kan ontsnappen.

Door verder te spelen met de fases van de geluidsbronnen konden de onderzoekers het geluidsgolfdalletje ook verplaatsen, waardoor het balletje gaat lopen door de lucht. Een promovendus aan de University of Bristol gebruikt dit principe voor het maken van fancy driedimensionale grafieken, die live mee kunnen veranderen met de data.

Ook de medische wereld heeft interesse. Omdat ultrageluid door lichaamsweefsel heen gaat, is de hoop dat ooit nierstenen of  bloedpropjes van buitenaf zijn te behandelen.

 

Openingsfoto:

Impressie van een toekomstige toepassing: een onzichtbaar touchpad dat in de lucht zweeft. (foto Ultrahaptics)

 

 

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.