El término "háptico" proviene del griego y significa "agarrar" o "percepir".El tacto se usa comúnmente para describir la fuerza o los mecanismos de retroalimentación táctil integrados en dispositivos para mejorar la interacción hombre-máquina.
Desde una perspectiva de ingeniería, la retroalimentación táctil se logra típicamente a través de actuadores mecánicos.incluidos los motores de masa giratoria excéntrica (ERM, por sus siglas en inglés)En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones que se utilizan en la actualidad son de alta calidad, con una gran variedad de aplicaciones, entre las que se incluyen la tecnología de la información, los actuadores de resonancia lineal (LRA) y los elementos piezoeléctricos, que pueden simular sensaciones físicas en el mundo real como la presión, el peso y la textura de la superficie.,La tecnología táctil complementa las señales visuales y auditivas, haciendo que las interfaces digitales sean más intuitivas y receptivas.Esto es particularmente importante para aplicaciones que requieren una validación precisa de la entrada o una experiencia de usuario inmersiva, incluida la manipulación de objetos virtuales.
La creciente demanda de una interacción mejorada ha acelerado la aplicación de la tecnología táctil en múltiples campos.Desde controladores de juegos y pantallas táctiles en la electrónica de consumo hasta controladores de retroalimentación en los paneles de instrumentos de los automóviles y simulaciones quirúrgicas en la atención médicaLa tecnología háptica se está convirtiendo en un componente clave de la experiencia del usuario y la funcionalidad del sistema.incluidas las tecnologías básicas y las ventajas del uso de elementos piezoeléctricos en la tecnología táctil.
Tecnologías comunes de los actuadores táctiles
El actuador táctil es un sensor electromecánico que genera sensaciones táctiles como vibración, desplazamiento o presión al convertir la energía eléctrica en movimiento mecánico.Este actuador es el núcleo funcional del sistema de retroalimentación táctil, que puede lograr una respuesta física precisa en la interfaz de usuario.
Existen múltiples técnicas de accionamiento disponibles para los sistemas táctiles, cada uno con su propio principio de funcionamiento y características de rendimiento únicas:
Los actuadores piezoeléctricos utilizan elementos piezoeléctricos para generar deformación mecánica y oscilación bajo la acción de un campo eléctrico externo, proporcionando así una alta frecuencia,pequeño desplazamiento, y señales de retroalimentación con baja demora (consulte la serie de elementos piezoeléctricos Same Sky).
El motor de masa giratoria excéntrica (ERM) consta de bloques de masa excéntrica instalados en el eje del motor de CC.la rotación de una carga desequilibrada generalmente produce fuerzas de vibración de baja frecuenciaEsta tecnología se utiliza comúnmente en dispositivos móviles y aplicaciones de bajo coste.
Los actuadores de polímero electroactivo (EAP, por sus siglas en inglés) utilizan polímeros dieléctricos que se expanden o contraen bajo la acción de un campo eléctrico.pero por lo general requiere mayores voltajes de conducción.
El principio de funcionamiento de un actuador de resonancia lineal (LRA) es conducir un bloque magnético a lo largo de un solo eje utilizando un campo electromagnético alternado.El ajuste de la LRA a la frecuencia de resonancia puede proporcionar una retroalimentación direccional más eficiente y más rápida en el tiempo de respuesta.
El actuador de bobina de voz (VCA) utiliza el principio de la fuerza de Lorentz, lo que significa que una bobina suspendida en un campo magnético se moverá linealmente bajo la acción de la corriente.VCA opera en banda ancha y puede controlar con precisión la amplitud y la frecuencia.
Cada tipo de actuador requiere una compensación entre la respuesta de frecuencia, la eficiencia energética, la complejidad de la integración y la fidelidad de la retroalimentación.La elección específica depende de la aplicación de destino - ya sea sutiles señales táctiles en dispositivos portátiles, el tacto inmersivo en las interfaces AR/VR, o la retroalimentación fuerte en las pantallas táctiles de los automóviles.
Conocimiento básico de componentes piezoeléctricos en retroalimentación táctil
El efecto piezoeléctrico se refiere a la generación de cargas eléctricas en ciertos materiales cuando están sujetos a tensión mecánica.cuando se aplica un campo eléctrico a estos materialesEsta característica reversible es el principio básico de funcionamiento de los actuadores piezoeléctricos utilizados en los sistemas de retroalimentación táctil.
En aplicaciones táctiles, los elementos piezoeléctricos son impulsados principalmente por efectos inversos para generar desplazamiento o vibración a microescala basados en el voltaje de entrada.Estos componentes también pueden configurarse como sensores de fuerza o presión., integrando la doble funcionalidad en interfaces sensibles al tacto o sistemas de circuito cerrado.
El dispositivo de flexión piezoeléctrico es una estructura de actuador común compuesta por dos capas piezoeléctricas con polarizaciones opuestas unidas entre sí.una capa se expandirá mientras que la otra se contraeráEste tipo de desplazamiento de flexión es muy adecuado para aplicaciones que requieren una alta precisión y movimiento local.
Por el contrario, los elementos piezoeléctricos de múltiples capas apilan muchas capas piezoeléctricas delgadas en paralelo, aumentando significativamente la potencia de salida mecánica al tiempo que reducen el voltaje de operación.En situaciones en las que se requiera una fuerza o un desplazamiento mayores, como en sistemas integrados de baja potencia con grandes superficies táctiles o amplitudes de voltaje limitadas, estas estructuras tienen ventajas significativas.
La amplitud de desviación de los elementos piezoeléctricos es proporcional a la señal de entrada, logrando así un control de alta resolución del posicionamiento estático y las curvas de vibración dinámica.A diferencia de muchos otros tipos de actuadores, los elementos piezoeléctricos pueden ajustar su posición y amplitud de forma independiente, por lo que son muy adecuados para aplicaciones que requieren diferencias sutiles de señal o retroalimentación de codificación.
Las piezas piezoeléctricas "dobladas"
Figura 1: La "doblación" de los componentes piezoeléctricos (fuente de imagen: Same Sky)
Las ventajas de los elementos piezoeléctricos en el diseño táctil
Los elementos piezoeléctricos utilizados en los sistemas de retroalimentación táctil utilizan el efecto antipiezoeléctrico para generar un desplazamiento mecánico rápido y de alta fuerza.Las propiedades materiales inherentes de los elementos piezoeléctricos generalmente resultan en tiempos de respuesta de menos de 1 milisegundo, lo que permite una retroalimentación táctil en tiempo real con un retraso mínimo, lo que es crucial en aplicaciones que requieren una alta precisión y una respuesta instantánea del usuario.
A diferencia de los actuadores impulsados por masa como ERM o LRA, los dispositivos piezoeléctricos no dependen de la inercia o resonancia de los componentes de suspensión.Los dispositivos piezoeléctricos tienen un menor consumo de energía y un tiempo de estabilización más rápidoEstas características hacen que los dispositivos piezoeléctricos sean particularmente adecuados para su integración en sistemas portátiles o con batería, donde la eficiencia energética y las dimensiones externas son estrictamente limitadas.
La forma geométrica delgada y plana de los elementos piezoeléctricos facilita la integración mecánica compacta.Los ingenieros pueden integrar múltiples actuadores piezoeléctricos en un solo diseño para amplificar la salida de la red táctil o lograr el análisis de distribución espacial de las señales táctiles en la interfaz de usuarioEn aplicaciones como touchpads, dispositivos portátiles y pantallas táctiles capacitivas, estas configuraciones pueden usarse para simular movimiento, señales direccionales o gradientes de presión.
Los actuadores piezoeléctricos tienen una alta configurabilidad en términos de frecuencia, amplitud y forma de onda de la señal de conducción, que admiten varias texturas y efectos de retroalimentación.La tecnología también ofrece una variedad de formas mecánicas y eléctricas, incluidos diámetros, espesores, voltajes nominal y métodos de instalación personalizados, proporcionando soluciones a medida para los mercados de automóviles, médicos, industriales y electrónicos de consumo.
Consideraciones de diseño para componentes piezoeléctricos
El diseño de un sistema de retroalimentación táctil basado en la tecnología piezoeléctrica requiere una cuidadosa consideración de los siguientes factores clave:
Bloque de accionamiento: hacer coincidir la fuerza de la barra de empuje con la carga inercial para garantizar una transmisión efectiva de las vibraciones.
Tipo de componente: elegir componentes de una sola capa o de varias capas en función de las limitaciones de voltaje, desplazamiento y tamaño.
Superficie mecánica de la envolvente: Asegúrese de que el actuador esté instalado dentro del espacio disponible.
Eje de activación: Determinar la dirección de movimiento para seleccionar la forma adecuada del conjunto de componentes.
Fuente de alimentación y controlador: Compare la fuente de alimentación del sistema con la carga capacitiva del dispositivo piezoeléctrico y seleccione controladores compatibles para lograr una excitación eficiente.
Requisito de frecuencia: Determinar la frecuencia de resonancia o el ancho de banda requerido del componente para obtener una retroalimentación táctil óptima.
Condiciones térmicas: se confirmará que el rango de temperatura de funcionamiento del elemento piezoeléctrico cumple las condiciones ambientales del sistema.