Stel je voor dat je handen vasthoudt met een geliefde aan de andere kant van de wereld. Of een schouderklopje krijgen van een teamgenoot in de online game 'Fortnite'.

Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe dunne, draadloos systeem dat een gevoel van aanraking toevoegt aan elke virtual reality (VR)-ervaring. Dit platform voegt niet alleen mogelijk nieuwe dimensies toe aan onze langeafstandsrelaties en entertainment, de technologie geeft protheses ook sensorische feedback en geeft telegeneeskunde een menselijk tintje.

Aangeduid als een "epidermaal VR"-systeem, het apparaat communiceert aanraking via een snelle, programmeerbare reeks miniatuur vibrerende actuatoren ingebed in een dunne, zacht, flexibel materiaal. De velachtige prototypes van 15 centimeter bij 15 centimeter lamineren comfortabel op de gebogen oppervlakken van de huid zonder omvangrijke batterijen en omslachtige draden.

"Mensen hebben in het verleden over dit totaalconcept nagedacht, maar zonder een duidelijke basis voor een realistische technologie met de juiste set kenmerken of de juiste vorm van schaalbaarheid. Eerdere ontwerpen omvatten handmatige assemblages van actuatoren, draden, batterijen en gecombineerde interne en externe besturingshardware, " zei John A. Rogers van Northwestern, een pionier op het gebied van bio-elektronica. "We hebben onze kennis op het gebied van rekbare elektronica en draadloze krachtoverdracht gebruikt om een ​​superieure verzameling componenten samen te stellen, inclusief geminiaturiseerde actuatoren, in een geavanceerde architectuur die is ontworpen als een draagbaar apparaat met een skin-interface - met bijna geen lasten voor de gebruiker. We zijn van mening dat dit een goed startpunt is dat op natuurlijke wijze zal worden opgeschaald naar systemen voor het hele lichaam en honderden of duizenden discrete, programmeerbare aandrijvingen."

"We verleggen de grenzen en mogelijkheden van virtual en augmented reality, " zei Yonggang Huang van Northwestern, die samen met Rogers het onderzoek leidde. "In vergelijking met de ogen en de oren, de huid is een relatief onderontwikkelde sensorische interface die ervaringen aanzienlijk zou kunnen verbeteren."

Het onderzoek wordt op 21 november gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Rogers is de Louis Simpson en Kimberly Querrey hoogleraar materiaalkunde en biomedische technologie aan de McCormick School of Engineering van Northwestern, hoogleraar neurologische chirurgie aan de Feinberg School of Medicine en directeur van het Center for Bio-integrated Electronics.

Huang is de Walter P. Murphy hoogleraar civiele techniek en milieutechniek en hoogleraar werktuigbouwkunde in McCormick.

Xinge Yu, een voormalig postdoctoraal fellow in Rogers' laboratorium en huidige assistent-professor aan de City University of Hong Kong, was de eerste auteur van het papier.

Hoe het werkt

Rogers en Huang's meest geavanceerde apparaat bevat een gedistribueerde reeks van 32 individueel programmeerbare, aandrijvingen op millimeterschaal, die elk een discrete tastzin genereren op een corresponderende locatie op de huid. Elke actuator resoneert het sterkst bij 200 cycli per seconde, waar de huid maximale gevoeligheid vertoont.

"We kunnen de frequentie en amplitude van elke actuator snel en on-the-fly aanpassen via onze grafische gebruikersinterface, Rogers zei. "We hebben de ontwerpen op maat gemaakt om de zintuiglijke waarneming van de trillingskracht die aan de huid wordt geleverd te maximaliseren."

De patch maakt draadloos verbinding met een touchscreen-interface (op een smartphone of tablet). Wanneer een gebruiker het touchscreen aanraakt, dat aanslagpatroon wordt naar de patch verzonden. Als de gebruiker een "X"-patroon op het touchscreen tekent, bijvoorbeeld, de apparaten produceren een sensorisch patroon, gelijktijdig en in realtime, in de vorm van een "X" door de vibrerende interface naar de huid.

Bij videochatten vanaf verschillende locaties, vrienden en familieleden kunnen elkaar bereiken en virtueel aanraken - met een verwaarloosbare vertraging en met druk en patronen die kunnen worden gecontroleerd via de touchscreen-interface.

"Je zou je kunnen voorstellen dat het voelen van virtuele aanraking tijdens een videogesprek met je familie in de nabije toekomst alomtegenwoordig kan worden, ' zei Huang.

De actuatoren zijn ingebed in een intrinsiek zacht en enigszins kleverig siliconenpolymeer dat zonder tape of banden aan de huid hecht. Draadloos en batterijloos, het apparaat communiceert via NFC-protocollen (Near Field Communication), dezelfde technologie die wordt gebruikt in smartphones voor elektronische betalingen.

"Met dit draadloze stroomvoorzieningsschema, we vermijden volledig de noodzaak van batterijen, met hun gewicht, maat, bulk en beperkte operationele levensduur, " zei Rogers. "Het resultaat is een dunne, lichtgewicht systeem dat zonder beperkingen kan worden gedragen en gebruikt, voor onbepaalde tijd."

Veteraan beschrijft het belang van sensorische feedback

Iedereen kan zich voorstellen hoe dit soort technologie kan worden gecombineerd met een VR-headset om meer interactieve en meeslepende game- of entertainmentervaringen te creëren. Maar voor veteraan Garrett Anderson van het Amerikaanse leger, epidermale VR kan een broodnodige oplossing bieden voor een reëel probleem.

Om 4 uur op 15 oktober, 2005, Anderson liep in een hinderlaag tijdens zijn inzet in de oorlog in Irak en verloor zijn rechterarm net onder de elleboog.

"Een bom ontplofte onder mijn vrachtwagen, Anderson zei. "Het blies de hele motor uit het voertuig. Toen kwamen er granaatscherven door het voertuig en sneden mijn arm af, die aan pezen hing."

Anderson probeerde onlangs het systeem van Northwestern, geïntegreerd met zijn prothetische arm. Als hij de pleister op zijn bovenarm draagt, Anderson voelde de sensaties van zijn prothetische vingertoppen naar zijn arm worden overgebracht. De trillingen voelden min of meer intens aan, afhankelijk van de stevigheid van zijn greep.

"Zeg dat ik een ei of iets breekbaars pak, " zei Anderson, die nu de outreach-coördinator is van het Chez Veterans Center van de Universiteit van Illinois. "Als ik mijn grip niet kan aanpassen, dan zou ik het ei kunnen pletten. Ik moet weten hoeveel grip ik toepas, zodat ik niets of iemand kwets."

'Ik heb ze nog nooit met mijn rechterarm gevoeld'

Omdat mensen die amputaties hebben gehad het apparaat gebruiken, de ervaring zou meer naadloos kunnen worden.

"Gebruikers ontwikkelen het vermogen om aanraking binnen de vingertoppen van hun prothese te voelen via de sensorische inputs op de bovenarm, " legde Rogers uit. "Overwerk, je hersenen kunnen de sensatie op je arm omzetten in een surrogaatgevoel in je vingertoppen. Het voegt een zintuiglijk kanaal toe om de tastzin te reproduceren."

Anderson gelooft dat dit apparaat zijn hersenen mogelijk zou kunnen 'misleiden' op een manier die fantoompijn verlicht. Hij stelt zich ook voor dat het hem in staat zou kunnen stellen om op een nieuwe manier met zijn kinderen om te gaan.

"Ik verloor mijn arm 15 jaar geleden, " zei hij. "Mijn kinderen zijn 13 en 10, dus ik heb ze nog nooit met mijn rechterarm gevoeld. Ik weet niet hoe het is als ze mijn rechterhand pakken."

'Een startpunt'

Rogers beschouwt het huidige apparaat als een startpunt. "Dit is onze eerste poging tot een systeem van dit type, " zei hij. "Het kan heel krachtig zijn voor sociale interacties, klinische geneeskunde en toepassingen die we vandaag niet kunnen bedenken, verder gaan dan de voor de hand liggende mogelijkheden in gaming en entertainment."

Hij en Huang zijn al bezig om het huidige toestel slanker en lichter te maken. Ze zijn ook van plan om verschillende soorten actuatoren te exploiteren, inclusief degenen die warmte- en rekgevoelens kunnen produceren. Met thermische ingangen, bijvoorbeeld, een persoon kan misschien voelen hoe heet een kopje koffie is door middel van prothetische vingertoppen.

Het Northwestern-team is van mening dat het algehele technische raamwerk plaats biedt aan honderden actuatoren met afmetingen die aanzienlijk kleiner zijn dan de momenteel gebruikte, met een diameter van 18 millimeter en een dikte van 2,5 millimeter.

Eventueel, de apparaten kunnen dun en flexibel genoeg zijn om in kleding te worden geweven. Mensen met protheses zouden VR-shirts kunnen dragen die aanraking communiceren via hun vingertoppen. En samen met VR-headsets, gamers kunnen volledige VR-pakken dragen om volledig ondergedompeld te worden in fantastische landschappen.

"Virtual reality is een zeer belangrijk opkomend gebied van technologie, " zei Rogers. "Momenteel, we gebruiken gewoon onze ogen en onze oren als basis voor die ervaringen. De gemeenschap is relatief traag geweest om het grootste orgaan van het lichaam te exploiteren:de huid. Onze tastzin biedt de meest diepgaande, diepste, emotionele band tussen mensen."