Un tocco di ingegno

Ora che sempre più smartphone e lettori MP3 dispongono di interfacce touch-screen, le persone si sono abituate a interagire con i gadget utilizzando solo tocchi e passaggi delle dita. Ma all'undicesimo piano di un edificio nel centro di Manhattan, i ricercatori della New York University Ilya Rosenberg e Ken Perlin stanno sviluppando un'interfaccia che va ancora oltre. È un pad sottile che risponde con precisione alla pressione non solo di un dito, ma di una serie di oggetti, come un piede, uno stilo o una bacchetta. E può rilevare più input contemporaneamente.

Ken Perlin (a sinistra), un professore di informatica alla New York University, e Ilya Rosenberg, uno studente laureato alla New York University, mostrano i fogli di plastica che sono il punto di partenza per i loro touch pad sensibili alla pressione.

L'idea del pad è venuta a Rosenberg, uno studente laureato alla New York University, alcuni anni fa, quando stava lavorando con un polimero conduttivo chiamato inchiostro per resistori a rilevamento di forza, che viene spesso utilizzato nelle tastiere di musica elettronica. Quando viene applicata pressione all'inchiostro, le sue molecole si riorientano in modo tale da alterarne la resistenza elettrica, che è facile da misurare. Rosenberg originariamente usava l'inchiostro per creare sensori che potevano essere incorporati sotto i confini dei campi da tennis per automatizzare le chiamate in linea, ma si chiedeva se potesse essere la base di una buona interfaccia multitouch per computer. Ha iniziato a collaborare con Perlin, un professore del Media Research Laboratory della New York University, per realizzare un touch pad sensibile alla pressione per sostituire il mouse di un computer.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2009

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I cuscinetti sensibili alla pressione esistono da anni, ma la maggior parte è stata limitata ad applicazioni semplici, come il rilevamento quando un seggiolino auto è occupato. Dispositivi come il Palm Pilot, che utilizzano uno stilo per immettere i dati, in genere rilevano il tocco misurando i cambiamenti nella resistenza elettrica quando un oggetto tocca lo schermo. Ma questi schermi possono registrare solo un tocco alla volta. I touch screen sugli smartphone, nel frattempo, utilizzano un sensore che rileva i cambiamenti di capacità o la capacità del materiale di trattenere una carica elettrica; la capacità cambia quando oggetti contenenti acqua, comprese le dita, si muovono sullo schermo. Tali schermi possono rilevare più tocchi, ma non possono rilevare la pressione.

Il touch pad di Rosenberg e Perlin, al contrario, combina alcuni vantaggi di tutte queste tecnologie. Può registrare contemporaneamente la pressione e la posizione di diversi tocchi e può essere ridotto in modo semplice ed economico alle dimensioni di un ciondolo o ridimensionato per coprire un ripiano del tavolo.

Plastica verniciata
Per costruire un touch pad sensibile alla pressione, Rosenberg inizia con fogli di plastica leggermente più spessi di un pezzo di carta. Usa un programma speciale per disegnare un motivo di linee che verrà stampato su ogni foglio, adattando il motivo all'uso previsto del dispositivo. Le linee sono adagiate sulla plastica in metallo per renderle elettricamente conduttive; il foglio viene quindi ricoperto con uno strato uniforme di inchiostro nero sensibile alla pressione. Alla rinfusa, i sensori stampati costerebbero circa $ 100 al metro quadrato, ma poiché questi prototipi delle dimensioni di una lettera sono una tantum, ciascuno costa circa $ 100.

Rosenberg posiziona due dei fogli preparati uno contro l'altro con il lato dell'inchiostro polimerico rivolto verso l'interno, orientandoli in modo che le linee conduttive creino una griglia. Quindi incolla i fogli con del nastro biadesivo. Ogni sesta linea metallica termina su un bordo dei fogli di plastica in una coda corta e flessibile collegata a un circuito rigido tramite un morsetto. Sebbene il resto dei fili non sia collegato all'elettronica, influenza le caratteristiche elettriche delle linee attive, il che aiuta il software a dedurre da dove proviene un tocco.

Il circuito stesso contiene un microchip programmato per scansionare il pad del sensore, fornendo alimentazione a ciascun filo attivo in rapida successione. Il chip converte anche i dati di pressione da un segnale analogico continuo in un formato digitale che un computer può interpretare. Infine, comprime i dati e li invia a un computer tramite una connessione USB o (per applicazioni musicali) una porta MIDI.

Il software sul computer calcola sia la posizione degli oggetti che entrano in contatto con il pad sia la quantità di pressione che esercitano. Se un oggetto tocca l'intersezione di due linee conduttive, l'elettronica registra lì una forte corrente; ma più lontano dall'intersezione tocca, più debole è la corrente, a causa della resistività dell'inchiostro. I prototipi hanno già una risoluzione sufficientemente alta da rilevare con precisione l'input di dita e stilo per tablet PC. Per un singolo tocco, può registrare forze da cinque grammi a cinque chilogrammi con un margine di errore del 2,5%, un intervallo sufficiente per interpretare il tocco leggero di uno stilo o un colpo su un tamburo digitale. Perlin afferma che, poiché è necessario alimentare pochi cavi, le versioni più grandi del pad possono raggiungere una sensibilità simile senza complessità o costi maggiori.

Pressione di mercato
I prototipi di oggi sono di un nero opaco, quindi non sono adatti come interfacce touch-screen per telefoni cellulari e altri gadget elettronici. Ma un'interfaccia sensibile alla pressione così precisa ed economica ha ancora molti potenziali usi, dice Perlin.

Ad esempio, Rosenberg e Perlin hanno collaborato con altri ricercatori su diverse applicazioni mediche e scientifiche. Perlin afferma che l'imbottitura potrebbe essere aggiunta alle scarpe per monitorare l'andatura e ai letti d'ospedale per avvisare gli infermieri quando un paziente è rimasto fermo per troppo tempo, aumentando il rischio di piaghe da decubito. Il pad è anche abbastanza sensibile da misurare le onde di pressione nell'acqua e nell'aria; questo potrebbe portare a migliori modelli fluidodinamici che potrebbero aiutare nella progettazione di aeroplani e barche. Oggi i ricercatori utilizzano array di sensori individuali per raccogliere tali dati, ma sono troppo costosi da utilizzare su una vasta area.

La tecnologia è utile anche nelle interfacce multitouch per dispositivi elettronici. Patrick Baudisch, ricercatore presso l'Hasso Plattner Institute in Germania, ha integrato il pad sul retro di un piccolo gadget da gioco, aggiungendo efficacemente un input touch ergonomico: gli utenti possono controllare il gioco senza che le dita blocchino lo schermo. E Rosenberg crede che utilizzando un diverso tipo di inchiostro sensibile alla pressione e rendendo le linee più sottili, lui ei suoi colleghi possono costruire un sensore trasparente utilizzabile nei touch screen su telefoni cellulari e tablet PC.

Il touch pad di Rosenberg e Perlin è molto più sensibile di altri dispositivi di rilevamento della resistenza, afferma Andy Wilson, un ricercatore di Microsoft che ha sviluppato Surface, un tavolo multitouch disponibile in commercio. Molte delle applicazioni si concentrano sull'utilizzo del sensore di pressione in modi interessanti, afferma. Aggiunge, tuttavia, che la tecnologia è ancora nelle sue fasi iniziali ed è difficile dire quanto sarà più economica rispetto alle odierne interfacce touch.

Ad aprile, Rosenberg e Perlin hanno lanciato Touchco, una startup che concederà in licenza la tecnologia e fornirà assistenza nella progettazione alle aziende che desiderano integrarla in dispositivi come telefoni cellulari ed e-reader. Gli ingegneri dell'azienda stanno esplorando ulteriori applicazioni, come il primo tamburo elettronico manuale, che sarebbe impossibile senza un sensore in grado di fornire una risoluzione così fine.

Alla fine, questi touch pad sottili e discreti potrebbero essere integrati praticamente su qualsiasi superficie, aprendo una nuova dimensione di interazione multitouch.

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