1. Анализ

1.1 Постановка задачи и цель проекта

Представим себе односторонний интерфейс «машина → человек», способный передавать информацию непосредственно через кожный покров[^1] и воспринимающийся мозгом без участия традиционных органов чувств зрения или слуха. В предложенном сценарии каждый участок кожи (например, каждые ~1 см²) привязан к определённому символу (букве алфавита). То есть, устройство может кодировать последовательность символов (текстовые данные) не визуально и не звуком, а с помощью тактильных ощущений[^2] на различных точках тела пользователя. В простейшем случае всплывает аналогия с азбукой Брайля[^5], где каждое рельефное сочетание точек соответствует букве. Однако в данном проекте подразумевается не активное осязание пальцами, а пассивное восприятие сигналов кожей по всей поверхности тела. Это похоже на «написание» текста на коже человека при помощи различных стимулов, заставляя мозг распознавать эти сигналы как символы.

Цель проекта: разработать подробную концепцию и технические решения для такого одностороннего машинно-человеческого интерфейса[^3], включая различные способы тактильной передачи данных через кожу (как предложенные, так и дополнительные), методы реализации устройств для каждого способа, а также оценку их характеристик (скорости передачи, требуемого оборудования, веса, потребления энергии и пр.). Итогом должна стать максимально полная документация – структурированное изложение теоретических основ, анализ возможных подходов, описание практической реализации каждого решения, инструкция по использованию и сравнение преимуществ/недостатков. Кроме того, необходимо рассмотреть и возможность организации обратной связи[^4] от человека к машине, то есть сделать интерфейс двусторонним, и включить эту идею отдельной главой.

1.2 Требования и критерии эффективности

Основные требования к разрабатываемому интерфейсу вытекают из его цели – эффективная передача информации в мозг через кожные ощущения. Критерии, по которым будем оценивать различные подходы:

• Пропускная способность (скорость передачи данных): насколько быстро можно передавать символы и, в конечном счёте, объем информации. Например, нужна оценка, сколько символов в секунду (или слов в минуту) способен воспринять обученный пользователь для каждого метода стимуляции. Эта скорость ограничена физиологическими свойствами тактильного восприятия и способностью мозга расшифровывать сигналы. Для сравнения, скорость восприятия последовательности символов кожей в известных экспериментах составляла порядка 1.5 бит/с (что эквивалентно ~0.3–0.5 символов/с), тогда как слуховое восприятие аналогичного кода (например, азбуки Морзе) – ~4 бит/с, а устная речь или язык жестов достигают 20–25 бит/с. Тем не менее, существуют примеры более высокой скорости: так, в экспериментах с вибротактильным языком Vibratese[^7] один испытуемый достиг 38 слов в минуту после относительно короткого обучения, а опытные чтецы шрифта Брайля способны читать текст со скоростью ~90 слов/мин, а отдельные – до 200–300 слов/мин (что сравнимо с чтением печатного текста). Таким образом, скорость передачи является одним из ключевых параметров – решения следует сравнить по потенциалу информационной пропускной способности.
• Точность и надежность распознавания: сигналы должны уверенно различаться пользователем. В идеале разные буквы/символы не должны вызывать путаницы. Это требует достаточного контраста между ощущениями для разных символов и минимизации помех (адаптация рецепторов, фоновые ощущения и т. д.). Необходимо учитывать плотность механорецепторов[^1] в коже, их чувствительность и разрешающую способность. Например, минимальная различимая дистанция между двумя точками воздействия на разных частях тела (двухточечный порог) накладывает ограничения на размер тактильных «пикселей». Известно, что спина имеет относительно низкое пространственное разрешение, зато большую площадь, а пальцы очень чувствительны, но покрыть ими большую информацию сложнее. Выбор области стимуляции (спина, живот, руки, пальцы, голова и т. д.) – важный фактор, влияющий на точность распознавания и требуемое число стимуляторов.
• Информативность кодирования: необходимо продумать, как именно кодировать символы через тактильные сигналы. Возможны разные подходы:
• Пространственное кодирование: каждому символу соответствует своя фиксированная точка на теле, при передаче этой буквы активируется стимул в соответствующем месте. Пользователь распознаёт символ по расположению ощущения. Такой подход требует наличия как минимум по одному стимулятору на каждую букву (например, 33 для русского алфавита). Его плюс – относительная простота распознавания (место на теле напрямую ассоциировано с буквой, как отдельный «канал»), минус – ограничение числом доступных независимых точек и потенциально громоздкость системы.
• Временное (последовательное) кодирование: все символы передаются через один или несколько общих тактильных каналов, но различаются паттерном стимуляции (по длительности, частоте вибрации, числу импульсов и т. п.) во времени. Пример – азбука Морзе[^8], где комбинации коротких и длинных сигналов кодируют буквы. В тактильной форме это может быть один вибромотор, передающий точками и тире вибрацию на одном участке кожи. Плюс – минимальное число устройств (даже одно), минус – более длительное восприятие каждого символа (нужно “выстучать” код) и более сложное распознавание без ошибок, особенно при высоких скоростях.
• Способы, комбинирующие пространство и время: например, динамические паттерны на коже – символ рисуется движущейся точкой вибрации или последовательным включением нескольких соседних точек (как если пальцем написать букву на спине). Исследования показывают, что такие динамические образы распознаются лучше, чем статическое одномоментное включение формы буквы вибромоторами. То есть, если есть массив стимуляторов, можно либо зажигать сразу конфигурацию (силуэт буквы), либо пробегать по контуру – второй вариант эффективнее для восприятия.
• Комбинированное кодирование параметров: теоретически, можно задействовать разные свойства сигнала (интенсивность, частоту, тип ощущения) для кодирования разных аспектов информации. Например, буквы могут различаться не только местом или паттерном, но и частотой вибрации или степенью давления. Однако человеку сложно одновременно воспринимать много параметров, поэтому практичнее ограничиться основными различимыми признаками.
• Комфорт и безопасность: устройство не должно причинять боль или повреждения коже при длительном использовании. Стимулы должны быть безопасными[^5] по уровню: электрический ток – в пределах терпимых значений, температура – не приводящая к ожогам или переохлаждению, механическое воздействие – не травмирующее кожу. Комфорт также важен: слишком сильные или навязчивые ощущения утомят или отвлекут пользователя, а оптимальные параметры сигнала позволят длительно воспринимать информацию без раздражения. Кроме того, устройство должно физически удобно располагаться на теле (например, в виде носимого костюма, пояса, перчатки и т.п.), не ограничивать подвижность и не быть слишком тяжёлым или громоздким.
• Техническая реализуемость: включает требования к массе, габаритам и энергопотреблению устройства. В идеале система должна быть портативной, автономной (работать от батареи достаточно долго), лёгкой (порядка сотен граммов, иначе утомительно носить) и прочной. Разные методы воздействия имеют разные технические сложности: например, создание матрицы из десятков механических микроприводов сложнее и тяжелее, чем матрицы из электродов. Мы дополнительно введём в сравнительную таблицу параметры масса устройства и потребляемая мощность, оценивая их для каждого подхода (хотя жёстких ограничений не задано, явный перегруз по весу или энергии сделает устройство непрактичным).
• Простота обучения и использования: пользователь должен относительно быстро научиться распознавать сигналы. Первоначально потребуется тренировка, сочетание сигналов с привычной информацией (например, одновременное предъявление буквы визуально/на слух и тактильно, как упомянуто в условии). Предполагается, что мозг благодаря нейропластичности[^6] со временем начнет воспринимать новые ощущения осмысленно – как символы или образы. Тем не менее, чем более интуитивным будет код (например, географическое расположение сигналов повторяет схему клавиатуры или контур тела соотносимый с формой букв), тем легче обучение. Здесь есть компромисс с информационной плотностью: самый простой для мозга код – прямое соответствие “один стимул = одна буква”, но он требует много «каналов». Более сложные коды (многосоставные вибрационные сигналы) экономят аппаратные ресурсы, но учиться распознавать их дольше. В идеале, через достаточную практику восприятие станет автоматическим, как чтение текста зрением. Известно, что мозг может адаптироваться к новым способам получения информации: в экспериментах Бах-и-Рита слепые испытуемые через несколько дней тренировок научились различать формы предметов, ощущая их проекцию на коже спины, а со временем начинали воспринимать источник ощущений как «видимое» в пространстве, а не прикосновения на коже. Другой пример – устройство BrainPort[^8] (камера + электростимуляция языка): первоначально люди ощущали на языке хаотичный «щекотки», но после обучения начали “видеть” картинку, передаваемую через узор импульсов, и у них даже активировалась зрительная кора мозга при восприятии тактильных образов.

Таким образом, при анализе решений нужно учитывать не только возможность технической передачи сигнала, но и способность человека эту передачу освоить. В данной документации мы рассмотрим все доступные методы тактильной стимуляции кожи (как предложенные пользователем, так и дополнительные идеи), проанализируем их по вышеперечисленным критериям и дадим структурированные рекомендации.

1.3 Обзор возможных методов тактильной стимуляции

Исходная идея пользователя включает следующие методы подачи сигналов на кожу: механическое воздействие, вибрации (тактильные ощущения), электрическая стимуляция, световое/тепловое воздействие и воздушный поток. Все они объединяет то, что активируют различные виды рецепторов кожи и вызывают ощущение, которое мозг может ассоциировать с символом при должной тренировке.

Рассмотрим эти и дополнительные методы более системно. С точки зрения физиологии, мы можем воздействовать на следующие типы кожных рецепторов:

• Механорецепторы[^1]: датчики физического давления, вибрации, деформации кожи и изгиба волос. К ним относятся тельца Мейсснера, меркельевы диски, тельца Пачини, тельца Руффини, а также волоконца у основания волос. Они отвечают за осязание: ощущение прикосновения, текстуры, вибрации. Можно разделить механическое воздействие на подтипы:
• Статическое давление/прикосновение: например, нажатие пинами или выпуклые точки (как в брайлевском дисплее). Возбуждает медленно-адаптирующиеся рецепторы (Merkel, Ruffini), давая ощущение давления.
• Вибрация (динамическое воздействие): быстро осциллирующее движение или ударные импульсы на коже, что возбуждает быстро-адаптирующиеся рецепторы (Meissner, Pacini). Даёт отчётливое чувство дрожания/жужжания. Вибрации различной частоты и амплитуды человек хорошо ощущает и может различать в определённых пределах.
• Сдвиг, растяжение кожи, щекотка: более сложные механические воздействия (например, линейное перемещение точечного стимулятора по коже, растяжение кожи в сторону, шуршание). Они также активируют механорецепторы и могут передавать информацию (хотя контролировать и калибровать такие стимулы сложнее).
• Воздействие на волосы: в волосистых зонах тела движение волоска (например, поток воздуха, вибрация волос) приводит к сгибанию волоса и активации его рецепторов (ланцеолатные окончания). Даже слабый воздушный поток или электростатическое притяжение способны вызвать движение волос и ощущение “движения воздуха” или легкого касания. Этот путь особенно чувствителен к динамическим стимулам (дуновение, колебания).
• Терморецепторы: окончание, реагирующие на температуру кожи – отдельные для холода и тепла. Изменение температуры можно использовать для передачи сигналов, хотя они относительно медлительны (время реакции – сотни миллисекунд и более, при резком охлаждении/нагреве) и имеют инерционность. Однако различие «теплее/холоднее» или скачки температуры вполне ощутимы. Световое воздействие часто именно и подразумевает тепловой эффект: например, инфракрасный свет греет кожу локально. Также возможна прямая тепловая стимуляция (мини-нагреватели, Peltier-элементы[^9], способные и нагревать, и охлаждать). Термосигналы хороши тем, что не требуют контакта (луч инфракрасного лазера или поток горячего/холодного воздуха), но их информационная емкость ограничена (скорость изменения и число различимых степеней нагрева/охлаждения невелики).
• Электрорецепция (электротактильная стимуляция): у человека нет отдельного органа электролокации, но подача слабого электрического тока через кожу напрямую возбуждает нервные окончания, имитируя тактильные ощущения. Электротактильные[^2] дисплеи известны в научной литературе: например, массив электродов на языке или коже, генерирующий шаблон электрических импульсов, воспринимается как чувство покалывания или вибрации. Ток непосредственно транслируется в импульсы чувствительных нервных волокон. Преимущество – отсутствие движущихся частей (меньше механики), высокая скорость включения/выключения, малый размер электродов позволяет делать высокую плотность стимуляции. Недостатки – сложность восприятия интенсивности (слишком сильный ток вызывает боль, слишком слабый – не ощущается), индивидуальная настройка порогов, необходимость хорошего контакта электродов с кожей (гель, влажность и т. п.).
• Аудиовибрационная стимуляция: строго говоря, звук – это тоже механические колебания, но можно отдельно упомянуть ультразвуковые методы. Фокусированный ультразвук высокой частоты (примерно 40 кГц) способен вызывать локальные колебания тканей без контакта – ощущается как легкая вибрация или давление на точке в пространстве. Уже существуют экспериментальные бесконтактные тактильные дисплеи, создающие ощущение прикосновения в воздухе с помощью фазированной решётки ультразвуковых излучателей. В нашем случае ультразвук мог бы проецировать на кожу узоры давления без непосредственного устройства на каждом участке кожи. Однако оборудование для этого (множество излучателей, управляющая электроника) довольно громоздко и требует значительной энергии, хотя избавляет пользователя от ношения плотного костюма с вибромоторами.
• Прочие экзотические методы: магнитная стимуляция (например, если в кожу вшит микро-магнит, внешнее переменное магнитное поле может вызывать его вибрацию – так делают некоторые энтузиасты, чувствующие электромагнитные поля, но это требует имплантации[^5]). Химическая стимуляция (нанесение на кожу веществ, вызывающих ощущение холода/жара, например ментол – холод, капсаицин – жжение). Это очень медленно и неконтролируемо для точной передачи данных, поэтому не подходит. Болевая стимуляция (ноцицепторы): теоретически возможна передача сигналов через легкие контролируемые болевые раздражители (например, микроколючки или безопасные уровни тока). Но это крайний и нежелательный метод – информация ассоциируется с болью, что плохо сказывается на комфорте и обучении.

Из перечисленного фокуса заслуживают те методы, которые практически реализуемы и относительно удобны: механические (вибрации, нажатия), электрические, термические, воздушно-струйные и ультразвуковые. Далее в разделе 2. Теория мы рассмотрим принципы, лежащие в основе передачи информации каждым из этих способов, а затем в разделе 3. Практическая реализация предложим конкретные технические решения (устройства) для каждого метода, включая те, что были предложены пользователем, и дополнительные. В разделе 4. Выводы проведём сравнение подходов по ключевым параметрам (скорость, вес, энергопотребление и т.д.) и рассмотрим плюсы и минусы каждого. Также отдельная глава (раздел 2.4) посвящена возможности организации обратной связи – то есть, как пользователь мог бы посылать сигналы назад машине, делая интерфейс двусторонним.

2. Теория

2.1 Каналы восприятия кожи и их свойства

Для успешного проектирования тактильного интерфейса важно понимать, как кожа и нервная система воспринимают различные стимулы, и какие ограничения накладывает физиология человека. Кожа – крупнейший по площади орган чувств, содержащий разнообразные рецепторы. Мы кратко рассмотрели их в разделе анализа (механорецепторы, терморецепторы и т. д.). Здесь суммируем ключевые свойства, влияющие на кодирование информации:

• Пространственное разрешение: минимальное расстояние, на котором два отдельные тактильные стимула ощущаются раздельно (двухточечный порог). На кончиках пальцев он ~2–5 мм, на предплечье ~15–20 мм, на спине может достигать 30–40 мм. Это значит, что на спине точечные стимулы нужно располагать не ближе нескольких сантиметров, иначе они “сливаются” в одно ощущение. Поэтому, если делать матрицу стимуляторов, на спине их максимальная плотность ограничена (несколько на десяток см). С другой стороны, спина и туловище дают большую площадь для размещения, а задействование большого участка тела позволяет параллельно передавать больше информации. Например, устройство Бах-и-Риты с 400 соленоидными контактами на спине использовало площадь, достаточную для показывания простых изображений. Кончики пальцев имеют высокую плотность рецепторов, но размещение большого числа независимых стимулов на них затруднительно – обычно ограничиваются одним вибромотором на палец или небольшим числом точек (как в электронном брайлевском дисплее на 1–2 символа). Выбор области стимуляции – компромисс между разрешением и доступной площадью. Возможный подход – использовать несколько участков тела: например, по одному стимулятору на каждом кончике пальцев обеих рук – итого 10 каналов, или жилет с сеткой вибромоторов по всей спине – десятки каналов. В литературе описаны различные схемы: так, японская система Finger-Braille наносит шрифт Брайля на пальцы (шесть точек – на три пальца каждой руки); немецкий алфавит Лорма[^6] использует жесты на ладони и пальцах для передачи букв. В нашем случае возможно распределить буквы по телу: например, буквы «А»–«Я» – последовательно по участкам руки, или по сетке на спине. Главное – расстояние между соседними точками ≥ двухточечного порога для данной области, чтобы не путать соседние стимулы.
• Временное разрешение и чувствительность к частоте: тактильная система быстро адаптируется к постоянному воздействию – статичное нажатие через несколько секунд почти не ощущается, если не менять силу. Поэтому динамические стимулы (прерывистые, вибрационные) гораздо эффективнее привлекают внимание рецепторов. У человека есть два основных диапазона восприятия вибраций: низкочастотный (около 5–50 Гц, ощущается как плавные колебания/щекотка, Meissner рецепторы) и высокочастотный (50–300 Гц, ощущение жужжания, Pacini тельца). Максимальная чувствительность кожи ~200–250 Гц. Вибросигнал амплитудой всего несколько десятков микрон при частоте ~250 Гц уже отчётливо чувствуется на пальце. Чем выше частота, тем быстрее рецепторы могут передавать импульсы в нервы – условный «тактовый сигнал» канала. Однако распознавать различия между, скажем, 100 Гц и 120 Гц человеку сложно – частотную модуляцию мы не очень хорошо ощущаем (в отличие от слуха). Поэтому частоту вибрации целесообразнее подстраивать под максимум чувствительности (100–250 Гц) для ясного сигнала, а кодировать информацию другими параметрами (место, длительность, паузы). Кратчайшие по длительности тактильные импульсы, что мы можем уловить, – порядка нескольких миллисекунд (20–50 мс различимы). Однако для осознанного восприятия символа обычно требуется более длительный стимул. Исследования тактильного распознавания букв показывают, что при экспозиции менее 100 мс точность резко падает, а оптимум находится в диапазоне 200–500 мс на символ. Следовательно, скоростной предел последовательной передачи – около 2–5 символов/сек (при хорошем распознавании). Практически 1–2 символа/сек (60–120 сим/мин) – уже отличный результат для кожи. Параллельное пространственное предъявление может увеличить общий битрейт (например, одновременно двумя руками по символу), но усложняет когнитивную нагрузку.
• Интенсивность и динамический диапазон ощущений: тактильные ощущения не имеют широкой шкалы градаций в сознательном восприятии. Есть порог ощущаемости и порог боли. Между ними человек может различить, грубо, порядка десятков уровней силы. Это значит, что амплитудную модуляцию (сильнее/слабее) нельзя задействовать для кодирования большого количества информации – максимум, возможно, различать 2–3 уровня (например, слабый сигнал = точка, сильный = тире для тактильной азбуки Морзе). Лучше полагаться на качественные различия стимулов (разное место, разная форма паттерна), чем на тонкие количественные. Также важно учитывать адаптацию: если стимул длится долго или часто повторяется без изменений, ощущение может притупляться. Поэтому для поддержания внимания можно вводить небольшие вариации или вибрацию вместо постоянного давления.
• Психологическое восприятие и когнитивная нагрузка: мозг должен научиться быстро распознавать кодируемую информацию. Сначала это потребует сознательного перевода (например, почувствовал вибрацию на левом плече – вспоминаю, что это буква «А»). Со временем, хотелось бы достичь автоматизма, когда ощущения напрямую вызывают ассоциированный образ/букву. Этому помогает обучение с обратной связью: например, как описано в условии, отображать букву на экране и одновременно подавать тактильный сигнал – мозг связывает визуальный образ с новым ощущением. Постепенно визуальная подсказка убирается. Такой метод использовался в экспериментах по сенсорной субституции и оказался эффективным. Также полезно начинать с небольшого набора символов и расширять, чтобы не перегружать память сразу всеми ощущениями. В плане устройства это значит, что система должна позволять настраивать интенсивности для комфортного восприятия (индивидуально) и, возможно, иметь режим обучения – например, шаг за шагом активировать стимуляторы и показывать пользователю, какой символ им соответствует.
• Особенности различных типов стимуляции:
• Механические вибрации обычно вызывают быстрое привыкание, но и быстрое восприятие. Человек хорошо локализует источник вибрации на теле, с точностью до нескольких сантиметров (на спине точнее ближе к позвоночнику). Вибрация не оставляет «следа» – как только выключилась, ощущение проходит, что хорошо для чёткого дискретного кодирования.
• Электростимуляция может создавать ощущение покалывания или даже имитацию вибрации. Она тоже быстро отключается после импульса. Но пороги и чувствительность очень индивидуальны: придётся калибровать для каждого пользователя напряжение/ток.
• Температурная стимуляция имеет инерцию – нагрев/охлаждение продолжается даже после выключения источника (тепло распространяется в тканях). Терморецепторы медленно привыкают, но и быстро утомляются, если изменения незначительны. Поэтому термоканал годится скорее для низкоскоростной дополнительной подачи информации (например, сигнал «ошибка» – короткий нагрев, «внимание» – охлаждение и т.п.), чем для передачи текста с высокой скоростью.
• Воздушный поток воспринимается главным образом на волосистой коже или на чувствительных зонах лица. Он тоже относительно медленный (пока воздух движется – ощущаем, перестал – сразу нет, но разгон потока и его остановка занимают десятки-сотни миллисекунд). Зато струйки воздуха можно направлять без контакта, и они могут создавать приятное, ненавязчивое ощущение.
• Ультразвук и магнитные эффекты – экзотика. Ультразвук при хорошей фокусировке ощущается похоже на слабую вибрацию или давление, но точность позиционирования в динамике ограничена (фокус ~1–2 см). Магнитная стимуляция без имплантатов слабо ощутима (если только использовать мощный переменный магнит – он будет вызывать вибрацию тканей за счёт магнитореологических эффектов, но это неиспытанная область).

Резюмируя, теория восприятия подсказывает: оптимальными для передачи информации являются быстро меняющиеся тактильные воздействия (вибрации, переменные нажатия, электропульсы), распределённые по различимым точкам тела. Мозг способен декодировать такую информацию, если она упорядочена и поддаётся ассоциации. “Мозгу все равно, через какой сенсорный канал приходят данные – будь то фотоны в глазах, звук в ушах или давление на коже – всё превращается в электрические импульсы, и если эти импульсы несут осмысленный паттерн, мозг попытается его понять”. Это фундаментальный принцип, подтверждённый исследованиями по сенсорной субституции. Мы можем «видеть кожей» или «слышать кожей», обучив мозг новым соответствиям, хотя разрешающая способность будет ниже, чем у специальных органов чувств.

2.2 Кодирование информации тактильными стимулами

В свете вышеизложенного, рассмотрим подробнее стратегии кодирования буквенно-цифровой информации (то есть алфавита, цифр, знаков) через кожу:

1) Прямое соответствие «точка на теле – символ»: самый простой для декодирования человеком подход. Реализуется множеством независимых стимулов, расположенных на разных участках. Например, можно сделать облегающий пояс или жилет с 26 вибромоторами по периметру: первый мотор слева – «A», следующий – «B» и т. д. При входящем тексте система просто активирует соответствующий вибромотор для каждой буквы. Пользователь ощущает вибрацию в определённом месте и сразу идентифицирует букву по локализации. Такие “местописи” использовались, например, в экспериментальных системах для глухих, передававших слова через последовательность вибраций на пояснице по часовой стрелке (шесть вибромоторов кодировали 6 бит информации) или в прототипах для военных (передача команд через вибрации на разных частях тела). Плюсы: мгновенное распознавание при хорошей тренировке (нет задержки на расшифровку кода), относительно низкая когнитивная нагрузка – мозг параллельно может обрабатывать ощущения на разных точках. Минусы: аппаратная сложность (нужно много каналов, проводов, управляющих элементов), ограничение числа символов количеством устройств. В русском алфавите 33 буквы – уже довольно много, но все же реализуемо, например, в виде сетки 6×6 см с шагом ~1 см (36 возможных позиций – с запасом). Можно расширить точки для цифр и знаков. Однако практические устройства редко делают больше 8–16 тактильных каналов, так как управляющую электронику и питание сложно масштабировать. Тем не менее, алфавит Лорма[^6] – пример, где практически каждая буква – отдельное место/жест на ладони (то есть 30+ разных позиций). Глухие и слепые люди обучаются Лорму и могут достаточно быстро «читать» текст прикосновениями к ладони. Создавались даже электронные перчатки с вибраторами на участках ладони под алфавит Лорма. Наш интерфейс, распределяющий буквы по коже, по сути развивает ту же идею – только распространяя её на большую поверхность тела.

2) Кодирование символов последовательностями сигналов на одном (или нескольких) канале: классический пример – азбука Морзе[^8] (точка, тире, паузы). В тактильном виде она применялась не раз, особенно для скрытого общения. Например, солдатам предлагали наручник с вибромотором, “виброморзе” посылало команды; или протезированные системы – люди могли научиться понимать вибромотор на коже как последовательность букв. Практические исследования показали, что максимальная скорость декодирования тактильного Морзе – относительно невысока (меньше 10 слов/мин у средних пользователей) из-за необходимости запоминать точки и тире и делить буквы паузами. Однако Морзе – не самый эффективный код, он не оптимизирован под тактильное восприятие. Существовали эксперименты по созданию специальных вибрационных алфавитов[^7]. Один из пионеров, Фрэнк Гелдард, разработал в 1950-х систему Vibratese: 45 символов (буквы и цифры) кодировались сочетанием трёх параметров – место (5 позиций на теле), длительность и интенсивность (3 градации каждого). По сути, Vibratese задействовал одновременнно и пространственный, и временной, и силовой код. Испытуемые смогли выучить его примерно за 12 часов, и достигли скорости до 38 слов/мин, что впечатляет. Но дальнейшего распространения Vibratese не получил – слишком сложен в освоении, требовал громоздкого оборудования для тех времён. Из этого урок: сложные коды теоретически повышают эффективность, но практически трудны для пользователя. Поэтому современные исследования склоняются к более простым схемам: например, буквы представлены вибрационными паттернами, немного напоминающими их акустическое или визуальное представление (буква “A” – один короткий виброимпульс, “B” – два коротких и т.д., что-то вроде упрощённого Морзе). Или используют особенности тактильного восприятия: например, различные частоты вибрации как вспомогательные знаки (низкая гудящая = гласная, высокая жужжащая = согласная). В общем случае, последовательное кодирование более универсально – достаточно одного канала – но по скорости уступает параллельному. Его можно комбинировать с пространственным: скажем, иметь 2–3 вибромотора (на разных зонах тела) и передавать одновременно по 2 буквы параллельно (удвоение скорости), либо кодировать разные типы символов разными зонами (цифры – вибрации на левой руке, буквы – на правой и т.п.).

3) Отображение графических образов букв на тактильном дисплее: теоретически можно пытаться “рисовать” сами буквы (их очертания) на коже с помощью матрицы точек, подобно тому как Optacon[^5] 1970-х годов отображал печатные буквы рельефно на кончике пальца. Optacon имел матрицу 6×24 мини-виброигл, пользователь водил камерой по тексту, и на пальце ощущал букву. Обучение Optacon’у занимало месяцы, но некоторые слепые научились читать ~60 знаков/мин им. Для нашего случая такой подход малоприменим: чтобы “нарисовать” символ, нужна довольно высокая плотность стимуляторов и чувствительная область (иначе распознать форму будет трудно). Проще использовать символы, упрощённые для тактильного восприятия – например, точечные матрицы (брайлевский код – каждый символ задан комбинацией точек 2×3). Можно расположить на теле несколько точек, составляющих «ячейку» Брайля, и выдавать буквы этим кодом – существуют приемы, когда шрифт Брайля транслируют вибрацией: например, Finger-Braille – когда собеседник постукивает по суставам пальцев собеседника, имитируя 6 точек Брайля на трёх пальцах. В Японии глухие и слепые используют Finger-Braille довольно успешно, т.к. он напрямую основан на знакомой системе Брайля. Если наш пользователь уже знает Брайль, мы могли бы, например, сделать наплечный аппарат с шестью электродами, который будет «выжигать» букву в брайлевском коде. Но с нуля учить Брайлю ради этого интерфейса – лишняя нагрузка, лучше сразу учить ассоциациям стимулов с печатными буквами.

4) Мультимодальные коды: интересная возможность – сочетать разные типы стимулов, чтобы расширить «азбуку». Например, можно условиться, что буквы А–М передаются вибрацией, а Н–Я – электрическими покалываниями (или холодом вместо тепла) на тех же местах. Тогда на одном и том же массиве точек мы удваиваем алфавит, различая еще и тип ощущения. Однако на практике одновременное применение разных ощущений может вызывать непредсказуемые взаимодействия (некоторые могут маскировать другие, или смешиваться в одно сложное чувство). Поэтому мультимодальность лучше использовать, чтобы передавать дополнительную информацию параллельно: например, вибрацией передавать буквы, а легким нагревом – сигнал об одном из двух состояний (большая/маленькая буква, или начало новой строки и т.п.). Пример: комбинированный тактильно-температурный дисплей – вибророторы кодируют текст, а мини-нагреватели время от времени подают символические температуры (скажем, «холодок» = цифра дальше, «тепло» = ошибка). Такой подход не увеличивает скорость основного канала, но обогащает интерфейс дополнительными знаками.

Важное теоретическое замечание: мозг способен параллельно обрабатывать тактильные стимулы до определённого предела. Если раздражать слишком много точек одновременно, ощущения начнут сливаться или внимание рассредоточится. Исследования показывают, что одновременное предъявление нескольких вибраций ухудшает локализацию и восприятие формы. В частности, расстояние между двумя одновременно вибрирующими точками ощущается меньше, чем если их активировать по очереди – явление, похожее на оптическую иллюзию (Weber’s illusion для осязания). Это значит, что одновременное зажигание нескольких “букв” на теле – плохая идея, лучше предъявлять их как последовательность (но быстро сменяющуюся). Исключение – если точки далеко друг от друга (скажем, на разных конечностях), тогда параллельно можно. В целом, для восприятия текста кожа – последовательный канал, как слух: мы воспринимаем буквы поочерёдно, не сразу целым словом. Поэтому скорость ограничена длительностью предъявления одного символа. Можно попытаться оптимизировать код, вводя сокращения (как стенография или сжатый код наподобие брэйль II категории с сокращениями слов). Но это усложнит обучение.

Подведём итог теоретической части: технически реализуемо создать интерфейс, подающий чёткие тактильные сигналы на кожу. Мозг при достаточной практике сможет интерпретировать их как буквы и слова, как подтверждено работами Бах-и-Риты и последователей. Оптимальными признаются вибрационные и электростимуляционные каналы из-за быстроты и чёткости, а также пространственное разнесение стимулов для разных символов – но в меру, чтобы не усложнить носимое устройство. В последующем разделе мы перейдём к практическим решениям: каким образом сконструировать каждый тип интерфейса, какие устройства и материалы использовать, и как они будут функционировать.

2.3 Организация обратной связи (человек → машина)

Прежде чем перейти к устройствам, коротко рассмотрим как сделать интерфейс двусторонним, то есть позволить пользователю передавать информацию назад машине (или оператору) по схожему каналу. Первичный проект – односторонний (только ввод в мозг), однако расширение до двустороннего обмена открыло бы путь к полноценному такtilному коммуникационному устройству, аналогичному, например, двусторонней азбуке Морзе (когда оба собеседника «простукивают» сообщения друг другу).

Варианты организации обратной связи в таком интерфейсе:

• Механические датчики на тех же стимуляторах: многие тактильные устройства можно сконструировать бимодальными, способными не только стимулировать, но и чувствовать давление со стороны пользователя. Например, если использовать пьезоэлементы или соленоиды в режиме датчика, они могут улавливать, что пользователь нажал на тот или иной элемент (попытался «ответить» нажатием). В практике устройств для глухих-сlepых это применялось: в упоминавшейся перчатке Lorm Glove, пользователь мог вводить сообщение, нажимая пальцем на определённые участки – датчики фиксировали жесты Лорма, превращая их в текст. Аналогично, можно на каждом элементе массива сделать чувствительность к нажатиям: тогда пользователь, приученный к карте символов на теле, сможет выстукивать по себе ответ. Например, почувствовав вопрос, он в ответ дотронется до точки, соответствующей букве «Д», затем «А», затем «Да». На практике реализовать чувствительные датчики вместе с вибромоторами может быть сложно (вибромотор сам по себе не измеряет нажатие). Но можно комбинировать: рядом с каждым виброэлементом поставить сенсор (емкостный датчик прикосновения, или небольшой микрофон, улавливающий удар). Так, если человек слегка ударит пальцем по месту, где находится вибромотор буквы A, сенсор зарегистрирует это как ввод символа ‘A’.
• Распознавание жестов или движений пользователя: другой путь – позволить человеку отвечать другими действиями, которые система распознает. Например, встроить в носимое устройство акселерометры: пользователь может сделать условный жест (наклон корпуса, взмах рукой) – а система его декодирует как определённый ответ. Или, если руки свободны, можно ставить где-то кнопки или трекпад для ответа (но это уже не через кожу, а обычный интерфейс). Более инновационный пример – использовать миографию: датчики ЭМГ на тех же электродах, что служат для электростимуляции, можно переключать в режим чтения сигналов мышц. Тогда человек мог бы подавать сигналы лёгким напряжением определённых мышц (например, напрячь плечо = сигнал «да», напрячь другой = «нет»). Такая схема требует тренировки не меньше, чем чувствовать сигналы, но принципиально возможна.
• Обратная биологическая связь для адаптивной передачи: даже если человек не передаёт осмысленное сообщение назад, система может читать физиологические реакции для подстройки. Например, измерять кожно-гальваническую реакцию (проводимость кожи) или частоту сердцебиения, чтобы понять эмоциональное состояние или уровень дискомфорта, и на основе этого корректировать интенсивность стимулов (снижать, если слишком стрессово). Или более непосредственно – регистрировать через ЭЭГ[^10] сигнал усвоения (существует понятие P300 – пик в мозговых волнах, когда человек узнаёт цельный стимул). В теории, если оснащать пользователя нейроинтерфейсом (шлемом ЭЭГ), можно пытаться определить, какие буквы он уверенно распознал, а какие пропустил, и повторять непонятые. Однако это пока область исследований.
• Совмещение каналов обратной связи: поскольку пользователь в нашем случае не парализован и может говорить, двигаться, никто не мешает ему отвечать машине традиционным путём (голосом, жестом). Но если мы стремимся к скрытности (например, тайное общение), то тактильный интерфейс с обеих сторон – бесшумный и невидимый для окружающих – крайне привлекателен. Вполне реально представить двоих людей, общающихся “прикосновениями на расстоянии”: каждый носит жилет с вибромоторами и, допустим, маленькую клавиатуру или датчиковую перчатку, и когда один мысленно “печатает” сообщение (касаясь нужных точек на себе), второй ощущает это на своем теле. Подобные прототипы разрабатываются для общения с глухими-сlepыми (как упоминалось, Lorm Glove) и для скрытой связи военных. В нашем проекте мы не углубляемся в разработку устройства ввода от человека, но принципиально закладываем возможность расширения: многие описанные далее устройства можно оснастить обратными датчиками.

Наконец, отметим, что обратная связь в интерфейсе машина→человек может означать и автоматическую самопроверку системы. Например, после подачи символа, система может через какой-то канал удостовериться, что человек его воспринял правильно (в тестовом режиме – спрашивать «что вы почувствовали?»). В постоянной эксплуатации это не нужно, но на этапе настройки и обучения встроенная проверка повысит эффективность тренировки.

В заключение теоретического раздела подчеркнем: односторонний тактильный канал связи заведомо имеет более низкую скорость, чем зрительный или аудио, но ценен как дополнительный или альтернативный путь передачи информации. Его успешность опирается на способность мозга адаптироваться и требовательна к грамотному дизайну стимулов. Далее мы перейдем к практике – рассмотрим технические аспекты реализации каждого вида стимуляции и предложим конкретные конструктивные решения интерфейса.

3. Практическая реализация

В этом разделе для каждого метода передачи информации через кожу будет предложено техническое решение – описание устройства или системы, принципов её работы, составляющих компонентов, а также обсуждение реализации (программное управление, питание, крепление на теле и пр.). Мы рассмотрим по порядку: 3.1 Механические вибрационные устройства, 3.2 Электростимуляторы, 3.3 Термостимуляторы (свет/температура), 3.4 Пневматические (воздушные) устройства, 3.5 Ультразвуковые и другие нестандартные методы, и завершим подсекцией об интеграции и общих требованиях к системе.

Каждый подраздел содержит техническую инструкцию/описание, как мог бы быть реализован соответствующий канал, на профессиональном уровне биоинженерии и эргономики человеко-машинных интерфейсов.

3.1 Механические вибротактильные устройства

Суть метода: использование вибраций для стимуляции кожных рецепторов. Вибрация – проверенный способ передать сигнал через кожу: компактные вибромоторы повсеместно используются (например, виброзвонок телефона). Для нашего интерфейса нужно спроектировать массив таких виброактуторов, располагаемых на теле пользователя в определённых местах, соответствующих символам или элементам кода.

Компоненты устройства:

• Виброактуаторы[^2]: малогабаритные моторчики с эксцентриком (классический вибромотор), либо соленоидные буззеры (электромагнит, быстро бьющий якорем, создавая дрожь), либо пьезоэлементы. Каждый виброактуатор должен быть маленьким (диаметр 5–10 мм, толщина до 3–5 мм) и лёгким (несколько граммов). Благо, такие существуют – например, цилиндрические вибромоторы (как в мобильниках) диаметром ~4 мм, массой ~2–3 г. Пьезодиски ещё тоньше и легче, но требуют приклеивания к резонирующей пластине и дают меньше амплитуду движения.
• Крепление на теле: обычно вибромотор эффективен при плотном контакте с кожей. Возможны различные форм-факторы: тактильный жилет (с кармашками или закреплёнными вибромодулями по спине, груди, бокам), ремни/пояса (например, пояс с вибромоторами по окружности – есть известный проект “Orienting belt”, где 8 вибромоторов по поясу указывают направление). Можно сделать наплечники, налокотники, повязки на ноги – в зависимости от того, где удобнее расположить точки. Главное – они должны прилегать, но не давить сильно. Часто используют эластичные материалы: напр. пришить моторы к эластичной футболке или использовать ремешки с липучками.
• Управление вибрацией: каждый мотор надо уметь включать и выключать по команде, а желательно и регулировать интенсивность (например, изменяя напряжение или широтно-импульсную модуляцию сигнала). Для этого необходим контроллер – микропроцессорный блок с драйверами моторов. Вибромоторы потребляют ток порядка 50–100 мА при 3 В, поэтому 30 моторов = до ~3 А при одновременной работе. Контроллер должен иметь достаточно выходов (например, использовать дешифратор и транзисторные ключи, или мультиплексоры). Хороший выбор – микроконтроллер (MCU) с как минимум 32 GPIO-выходами или специализированными драйверами для вибромоторов (существуют haptic-драйверы с I²C управлением). Программное обеспечение контроллера будет получать входящие данные (например, по Bluetooth от внешнего компьютера/смартфона) и активировать нужные моторы в нужной последовательности. Для сложных паттернов, контроллер может хранить их таблицу (например, код Морзе для каждой буквы) и сам воспроизводить при получении соответствующего символа.
• Питание: вибромоторы требуют питания; для портативности это аккумулятор (литий-ионный). Оценим: если одновременно работают 5 моторчиков по 50 мА при 3 В, это 0.75 Вт. В худшем случае, если много вибраций постоянно, средняя мощность может быть пару ватт. Батарея на 1000 мА·ч (3.7 В ~ 3 Вт·ч) теоретически даст час-другой работы. Лучше взять аккумулятор побольше, 2000–3000 мА·ч, что добавит веса (например, 50–70 г). Либо питать от внешнего источника при стационарном использовании.
• Масса и габариты: один виброэлемент с креплением может весить ~5 г. Если их 30, это 150 г, плюс провода и ткань – порядка нескольких сот граммов, что приемлемо. Контроллер с батареей – ещё ~100 г. Итого виброжилет может весить ~300–500 г. Это как легкая одежда – в принципе носибельно, хотя ощутимо.

Логика работы и использование: пользователь надевает устройство (например, жилет или ремни), располагает вибромоторы на оговорённых местах (желательно маркировать их буквами для начального обучения). При включении системы контроллер может провести самотест: кратко по очереди завибрировать каждый мотор (пользователь таким образом повторяет карту символов). В работе контроллер получает текст, и для каждой буквы генерирует вибросигнал. Если реализовано прямое соответствие, то просто включается соответствующий мотор на короткое время (допустим 0.2 с). Желательно дать паузу между буквами (0.1–0.3 с), чтобы отделить ощущения. Скорость можно программно регулировать. Если задействован код (например Морзе или вибропаттерны), то контроллер хранит шаблон: напр. буква «С» – три коротких вибра на одной точке – и включает/выключает этот мотор согласно шаблону. Вибрацию можно модулировать: например, делать разные частоты или амплитуды для доп. информации, но на практике достаточно просто on/off, т.к. сами моторчики обычно работают на своей резонансной частоте.

Особенности реализации:

• Размещение моторов должно учитывать анатомию: на участках с толстым слоем мышц/жира вибрация ощущается хуже, чем на костных выступах или тонкой коже. Так, вибрации на запястье (кость близко) очень заметны, а на ягодице – приглушённо. Поэтому лучше места: грудная клетка (рёбра дают опору), ключицы, позвоночник, плечи, предплечья (кость рядом), поясница. В местах вроде живота – вибрация мягкая. Это не значит, что нельзя, просто, возможно, нужно больше мощность или выбор другого частотного диапазона.
• Для повышения различимости можно применять частотное разнесение: например, разбить виброактуаторы на две группы, работающие на слегка разных частотах (скажем, часть моторов – вибромоторы ~160 Гц, часть – ~250 Гц). Тогда даже если они географически близко, пользователь может отличать “низкое гудение” и “высокое жужжание”. Но такие тонкости – на случай расширения кода.
• Если устройство беспроводное (а это желательно для мобильности), то контроллер должен иметь модуль беспроводной связи (Bluetooth, ZigBee или др.). Тогда сообщение на него приходит, скажем, со смартфона, куда пользователь заранее загрузил текст для передачи или где работает приложение-переводчик речи в текст и т.д. Протокол простой – послать код символа, контроллер отрабатывает.
• Обратная связь (если планируется) может быть устроена: например, каждый вибромотор снабдить piezo-сенсором, реагирующим на внешнее нажатие. Или использовать несколько тактильных кнопок на устройстве, которые пользователь мог бы нажимать (например, кнопка “подтвердить”, “повтори” – минимальный набор).

Пример сценария использования: разработан вибрационный пояс для скрытого приема сообщений. Пользователь носит эластичный пояс с 26 малых вибромоторов по окружности, соответствующих буквам русского алфавита (лишние 7 используются для пробела и знаков или остаются неиспользованными). Пояс подключен по Bluetooth к смартфону. На смартфоне – приложение: при получении SMS оно преобразует текст сообщения в последовательность букв. Далее приложение отправляет буквы на пояс, где микроконтроллер включает соответствующие вибромоторы на 0.5 с каждый. Пользователь ощущает серию вибраций вокруг талии – как будто кто-то легонько касается то спереди, то сбоку, то сзади. Поначалу он смотрит шпаргалку: “вибрация слева = А, чуть левее = Б, … справа = Я”. Через некоторое время тренировки он уже интуитивно узнаёт буквы. Скорость передачи регулируется: например, первые сеансы – медленно (1 буква/сек), потом быстрее (до ~3–4 буквы/сек при хорошей навыке). Таким образом, он читает сообщения без единого взгляда на экран, даже если вокруг шумно (традиционные методы были бы звук или дисплей). Если нужно ответить, он может нажать на встроенный модуль с микрофоном и продиктовать или использовать другую предусмотренную систему ввода – но это уже вне данного устройства.

Достоинства метода (вибрации): проверенная технология, простые компоненты, широкий диапазон ощущений (можно различать по месту, частоте, длительности), достаточно высокая скорость (реалистично 1–5 символов/сек в зависимости от подготовки). Вибрация не вызывает повреждений кожи и воспринимается большинством людей комфортно (при умеренной интенсивности – как массажные ощущения). Можно сделать устройство модульным – добавлять или убирать вибромоторы, расширяя или упрощая систему.

Недостатки и решения:

• Если моторы работают шумно (жужжат слышимо), то устройство перестаёт быть незаметным. Тут помогают современные вибромоторы – они практически бесшумны для окружающих, особенно маленькие. Можно также прокладывать демпфирующие материалы, чтобы корпус устройства не резонировал.
• Питание: вибрации – энергозатратный способ. Решение – хорошо спланировать паттерны, чтобы не держать много моторов включёнными одновременно долго. Например, никогда не включать все 10 сразу на полную мощность, а делать короткие им pulsing. Также можно использовать естественные паузы: раз человек не может читать сверхбыстро, нет смысла держать мотор дольше, чем нужно для восприятия. Оптимизация прошивки контроллера по энергосбережению продлит время работы.
• Износ и надёжность: моторы – механические части, ресурс их жизни ограничен (сотни часов вибрации). Нужно выбирать качественные детали, а также модульную конструкцию, позволяющую заменить вышедший из строя вибромодуль.
• Индивидуальная подгонка: у разных людей разная чувствительность на разных местах. Желательно, чтобы система позволяла калибровать интенсивность по каналам. Например, через приложение: “если вы слабо чувствуете вибрацию на позиции X, увеличьте для неё мощность”. Это может быть реализовано программно (дольше или сильнее включать мотор на этой позиции).

В итоге, механико-вибрационный метод – основной кандидат для реализации тактильного интерфейса. Далее мы рассмотрим альтернативы, которые могут быть использованы как дополнение или замену в случаях, когда вибрации нежелательны.

3.2 Электрокожные (электротактильные) стимуляторы

Суть метода: электростимуляция кожи – подача слабых электрических импульсов через поверхностные электроды для возбуждения ощущений. Правильно подобранный электрический сигнал способен вызвать у человека чувство покалывания, легкой вибрации или давления в месте расположения электрода, без механического движения. Электротактильные интерфейсы активно исследовались для помощи слепым и глухим. Например, BrainPort[^8] – устройство, передающее картинку на язык с помощью матрицы электродов. У нас идея аналогична: разместить на коже множество маленьких электродов, каждый соответствует букве (или элементу кода), и пропускать через нужный электрод ток, создавая ощущение.

Компоненты устройства:

• Электроды: проводящие площадки или контакты, которые будут соприкасаться с кожей. Они могут быть изготовлены из гибкой токопроводящей резины, геля, либо из металла (например, золочёные пластинки) с прикреплёнными проводами. Размер электрода влияет на ощущение: маленький (диаметр 2–5 мм) даёт более локализованное острое чувство покалывания; более крупный (1–2 см) – размытое, но может стимулировать больше нервов одновременно. В матрицах типа BrainPort используют ~1.5 мм диаметром круглые контакты на сетке ~1 мм друг от друга. Для кожи тела можно взять покрупнее, скажем электроды 5×5 мм через 10 мм – так чтобы безопасно и не слишком плотно.
• Расположение и крепление: электроды можно закрепить на гибкой пластыре или одежде. Важный момент – для прохождения тока цепь должна замкнуться: нужен второй полюс для каждого канала или общий “возврат”. Обычно делают матрицу электродов (анодов) на области стимуляции и один общий большой электрод (катод) где-то поблизости (так называемая биполярная стимуляция с общим проводом). Например, на предплечье размещена сетка 6×6 маленьких электродов – они все подключены к положительному полюсам стимулятора по отдельности, а запястье обёрнуто широкой полоской – общим отрицательным электродом. Когда система включает какой-то из 36 точечных электродов, ток идёт от него к общему и ощущается в районе маленького электрода. Крепление должно обеспечить надежный контакт: желательно использование токопроводящего геля или влажной пористой прокладки. Иногда электроды делают в виде липких ECG-датчиков, приклеивающихся к коже. Для множества электродов удобнее несъёмная носимая конструкция: например, опять же жилет или наплечник, внутренняя сторона которого имеет встроенные электродные контакты, плотно прилегающие к телу. Можно интегрировать в эластичную ткань нити из проводящего серебряного волокна, которые образуют сетку электродов.
• Стимулятор/контроллер: электрическая стимуляция требует генерации импульсов определённой формы. Как правило, используют импульсы тока заданной амплитуды (например, 5–10 мА) и длительности (например, 1–5 мс). Слишком длительный или DC-ток приводят к раздражению кожи (электролиз, ожог), поэтому применяют биполярные короткие импульсы. Требуется мультиканальный генератор импульсов – фактически высоковольтный драйвер, потому что для протекания 5 мА через сухую кожу может понадобиться 50–100 В (влажная – меньше). В BrainPort, например, напряжение доходило до 55 В при сопротивлении ~100 кОм на электрод. Нашему устройству нужно столько каналов, сколько электродов (или меньше, если матричная адресация). Можно организовать матрицу: N строчек и M столбцов, перекрещивающиеся электроды, тогда отдельный драйвер активирует конкретную пару строка-столбец (как в светодиодных матрицах). Однако это сложнее с контролем тока. Поэтому чаще делают модульные многоканальные стимуляторы – по сути, набор независимых источников тока с коммутацией. Существует специализированная электроника для электростимуляции (например, чипы с 8 каналами регулируемого тока для электродов, применяемые в медицинских ТЕНС). Подобных чипов можно несколько объединить для большего числа каналов.
• Электронный контроль и софт: микроконтроллер будет управлять стимулятором: посылать команды включить канал X с таким-то током на такую-то длительность. С позиции программирования, это похоже на управление вибромоторами, но нужно более точно задавать форму импульса. Возможно, придётся генерировать PWM с частотой, чтобы получилось, например, пачка импульсов 50–100 Гц (частота модуляции часто задаётся для ощущения непрерывности). BrainPort, кстати, модулирует интенсивность (яркость пикселя) частотой импульсов: чем ярче пиксель, тем больше доля времени бьёт ток. У нас можно интенсивность символа не кодировать, просто давать стандартный ощутимый импульс. Но параметры импульса должны быть настраиваемыми, т.к. у всех разная чувствительность. Предположим, целевые параметры: ток 5 мА, импульсы длительностью 2 мс, частота 50 Гц, пачка длится 0.2 с для буквы. Эти цифры могут варьироваться.
• Питание и безопасность: высокое напряжение низкий ток – потребляемая мощность относительно невелика (5 мА × 50 В = 0.25 Вт на канал во время импульса, да ещё он включен не постоянно, а с низким заполнением). Даже если 10 каналов одновременно, < 2.5 Вт. Значит, батареи 3 Вт·ч хватит на >1 час постоянной работы (реально дольше, т.к. редко все каналы работают сразу). С точки зрения безопасности, критично ограничивать ток: должны стоять резисторы или электронные лимитеры, не позволяющие превышать безопасный уровень. 10 мА через кожу – уже больно, 20 мА – очень сильно, 50+ мА – опасно (может вызвать мышечные спазмы). Поэтому схема должна быть спроектирована так, чтобы даже со сбоями не выдать большой ток. Обычно используют константный источник тока на каждый канал, настроенный на максимум, например, 5 мА. Или двойной импульс полярности (двухфазный), чтобы нулевой средний заряд (во избежание ожогов).

Логика работы: электростимуляторы работают похожим образом на вибро: когда нужно “вывести” символ, контроллер адресует его канал (электрод) и выдаёт на него серию импульсов. Пользователь ощущает на месте электрода покалывание. В зависимости от частоты и шаблона импульсов, это может восприниматься как короткий удар (если один импульс) или как непрерывная вибрация (если частая пачка). Практически, система настроена так: каждое включение канала на символ генерирует пачку импульсов определённой длины. Если кодировка последовательная, то, скажем, точка Морзе = 1 короткая пачка, тире = 3 подряд пачки с коротким промежутком. Если прямая – просто 1 пачка на букву. Паузы между буквами важны, чтобы ощущения отделились.

Использование и обучение: человеку может быть сначала сложнее ассоциировать электрическое покалывание с символом, чем физическую вибрацию, т.к. опыт с электростимуляцией у большинства меньше. Но по отзывам, например, пользователей BrainPort, со временем мозг привыкает и начинает воспринимать эти сигналы осмысленно. В процессе обучения надо подобрать комфортный уровень тока – не слишком болевой, но отчётливо ощущаемый. Для этого обычно проводят сеанс калибровки: увеличивают ток пока человек не скажет “ощущаю отчетливо, но еще не больно”.

Пример устройства: представим тактильный электропояс. Вместо вибромоторов – 32 маленьких круглых электрода, вшитых во внутреннюю сторону пояса, на равных промежутках. К поясу прикреплён компактный электронный блок – батарея и стимулятор. Приём сообщения происходит так: приходит текст, контроллер включает по очереди электроды. Пользователь чувствует покалывания в разных точках вокруг талии. В отличие от вибрации, это ощущение чуть более колюще-щекочущее. После обучения он научается понимать: “у пупка кольнуло – это А, справа – Б” и т.д. Если электроды расположены слишком близко или ток растекается, может быть некоторая размытость, но с подбором параметров можно добиться, что ощущается довольно локально (можно чередовать полярность или включать не соседние сразу, чтобы избежать наложения).

Достоинства электростимуляции:

• Отсутствие движущихся частей, что повышает надёжность, уменьшает вес и толщину устройства. Можно сделать систему ультратонкой, как наклейку на кожу.
• Гибкость в размещении: электроды могут быть хоть десятками на небольшой области, плотность выше, чем у вибромоторов, т.к. размер минимален и нет вопроса механического дрожания соседей (правда, слишком близкие электроды могут размыто ощущаться, но разделение 1 см обычно достаточно).
• Низкое энергопотребление (сравнительно) – особенно если сравнить, чтобы вибро на 30 точках питать, vs электроды. Тактильный дисплей на языке BrainPort работает от батарейки несколько часов, хотя там 144 электрода.
• Возможность очень быстрой переключаемости: электроника может мгновенно адресовать разные электроды, без инерции, тогда как вибромотору нужно десятки миллисекунд раскрутки/остановки. Это теоретически позволяет более высокую частоту обновления паттернов (но восприятие человека все равно лимит).
• Тонкость настроек: можно варьировать ток, частоту импульсов, длительность – подстраивая под индивида. Вибромотор так не настроить (только амплитуду немного).

Недостатки:

• Необходимость хорошего контакта: если высох гель или отошёл электрод, тот канал не будет ощущаться или будет бить болезненно (ток концентрируется на меньшей площади). Поэтому нужны либо самоклеящиеся электроды, либо ремешки, сильно прижимающие их. Это может быть менее удобно надевать, чем просто натянуть жилет с вибромоторами.
• Переменная чувствительность: кожа разная по электрической проводимости в разных местах и у разных людей. Может оказаться, что на одних электродах ощущение едва заметно, а на других – слишком сильно при одном и том же токе (из-за разной толщины рогового слоя, влажности). Значит, надо калибровать каждый канал вручную. Либо включать адаптивную подстройку – например, периодически измерять импеданс кожи под электродом и соотв. подстраивать напряжение. Это усложняет электронику.
• Психологический барьер: многим не нравится ощущение электрического тока на теле, ассоциируется с дискомфортом. Даже если физически это лишь легкое покалывание, пользователю может быть страшно или неприятно поначалу. Требуется уверить в безопасности и, возможно, начать с совсем слабых стимулов, постепенно повышая.
• Внешние помехи: электрическое устройство может быть чувствительно к внешним электромагнитным воздействиям, хотя маловероятно в бытовых условиях, но теоретически, если рядом кто-то включит сильный излучатель, или пользователь прикоснется к заземленному предмету – токи могут перераспределяться. Надо продумать защиту, фильтры.
• Потенциальное раздражение кожи: длительная стимуляция током может вызвать покраснение, раздражение на местах электродов, особенно если есть химическая реакция (из-за гальваники). Чтобы минимизировать, используют переменные полярности импульсы (чтобы ни один электрод не накапливал заряд), и материалы электродов инертные (золото, углерод). Также время непрерывной стимуляции обычно ограничивают.

Применимость: электростимуляция хорошо подходит, если нужно миниатюрное решение. Например, можно представить “тактильные часы”: на внутренней стороне ремешка часов сделать ряд из 10 электродов, передающих сообщения на запястье – почти незаметно окружающим. Или сиденье стула с электродами – человек сидит и получает “на пятую точку” сигналы (был даже курьёзный проект: сиденье водительского кресла с электростимуляцией, предупреждающее об объектах – хоть и странно, но работало). В контексте задачи, если пользователь не против слегка более сложного надевания и регулярного смачивания электродов, электрический метод может дать больше каналов при меньших размерах, чем вибрация.

В дальнейшем сравнении мы оценим, какой метод – вибро или электро – обеспечивает лучшую скорость и удобство. Возможно, гибрид: существуют работы, где комбинированный вибро-электростимулятор усиливает ощущение (электрический контакт даёт резкий пик, а вибрация – телесность). Но это слишком усложнит устройство, поэтому вероятнее выбирается что-то одно, исходя из предпочтений пользователя.

3.3 Термостимуляция и световые воздействия

Суть метода: использование температурных изменений на коже для передачи сигналов. Это более медленный и грубый канал, но он может выступать вспомогательным или для специфических сигналов. Под “световыми” воздействиями имеется в виду в основном инфракрасный свет, т.к. видимый свет кожа чувствовать не умеет (если только глаза не видят вспышку). Зато инфракрасное излучение поглощается поверхностными слоями кожи и превращается в тепло – так можно бесконтактно нагревать небольшие участки. Также можно реализовать контактные нагреватели/охладители.

Компоненты устройства:

• Мини-нагреватели: есть разные технологии: резистивные нагревательные элементы (микроспирали), тонкие пленочные нагреватели, Peltier-элементы[^9] (позволяют и греть, и охлаждать, но менее эффективно по соотношению потребляемой энергии). Размер одного элемента может быть порядка 1×1 см для локального ощущения. Можно сделать матрицу таких элементов на гибкой основе. Например, 4×4 матрица нагревательных спиралей между изоляционными слоями, с открытыми “окошками” к коже. При пропускании тока спираль разогревается и передает тепло коже.
• Микроконтроллер с драйвером: для каждого нагревателя нужен транзисторный ключ (они работают от 5–12 В обычно, токи могут быть 0.5–1 А для быстрого нагрева). Нагрев более инерционен, чем вибрация или электро, поэтому точность тайминга не такая строгая, но нужен контроль, чтобы не перегреть (датчик температуры или калибровка по расчету). Чтобы обеспечить охлаждение, Peltier модуль нужно реверсировать ток или использовать отдельные холодовые элементы. Если охладителей нет, можно симулировать “холод” кратковременным отключением и испарением (но это слабый эффект).
• Инфракрасные излучатели: вместо контактных нагревателей, можно использовать ИК-светодиоды или лазеры, направленные на определённые участки кожи. Например, лазер 980 нм при достаточной мощности способен нагреть точку диаметром несколько мм. Или массив мощных ИК-светодиодов 850–930 нм греет кожу на пару градусов. Преимущество – никаких проводов к телу, достаточно свет направить. Недостаток – потенциальная опасность лазера (ожог при передержке, или если попадает в глаза отражённый), и зависимость от оптических свойств кожи (разный цвет кожи – разное поглощение).
• Крепление и направленность: если использовать свет, нужен фиксированный относительный позиционирование: например, человек носит устройство на небольшом расстоянии (пару см) от кожи, фокусируя лучи на нужных точках. Это сложно, потому что движение тела меняет расстояние. Более надёжны контактные элементы, встроенные прямо в одежду. Например, “умная майка” с вшитыми нагревателями.
• Охлаждение: отдельная задача – быстрое охлаждение. Peltier-элемент может охлаждать одну сторону, нагревая другую, но КПД невысок, много энергии. Альтернативно – баллончики со сжатым газом, испаряющимся при выпуске (но это одноразово). Вряд ли для основной передачи текста понадобится охлаждение, разве что для сигнала отличия (например, “цифры передаются холодком, буквы – теплом”).

Логика работы: при передаче буквы устройство включает соответствующий нагревательный модуль на короткое время. Кожа в этой точке начинает теплеть. Темп ощущается не мгновенно: примерно через ~0.5–1 с пользователь замечает потепление. Если стимул убрать, тепло будет еще ощущаться, а потом постепенно рассеется. Таким образом, термосигнал более длительный во времени и трудно упаковать много в быструю последовательность. Максимум – можно передавать, скажем, несколько символов в минуту, что очень медленно. Поэтому в качестве основного способа термоканал не подходит для “чтения” текста. Но его можно использовать для вспомогательных индикаторов или в сочетании: например, многомерный код – определённая точка + температура = символ (температура несёт один бит информации: скажем, тёплый сигнал в этой точке = буква из первой половины алфавита, холодный = из второй половины). Но это усложнит обучение, да и скорость не сильно вырастет.

Пример устройства: допустим, термоповязка на предплечье с 10 микронагревателями по окружности руки. При передаче сигнала загорается один из нагревателей на ~1 секунду, вызывая лёгкий нагрев кожи примерно на 2–3 °C локально. Пользователь чувствует, что “что-то тёплое прикоснулось” в том месте – ассоциирует с буквой. Затем другой. И т.д. Скорость – порядка 1 символ в 2–3 с (20–30 сим/мин) в лучшем случае, иначе не успеет различить. Возможно, такие низкие скорости приемлемы для специальных применений (например, подача редких предупреждающих сигналов – “опасность слева” и т.п.), но для передачи текста это слишком малоэффективно.

Достоинства:

• Относительная простота: нагревательные элементы – простые, мало что может поломаться кроме перегорания (но они ресурсно тоже ограничены).
• Безопасность скрытности: термостимулы бесшумны и невидимы. Если не использовать лазер, то никакого излучения не заметно извне.
• Интуитивность некоторой информации: температуру можно ассоциировать с другими свойствами. Например, “горячий” сигнал можно интерпретировать как предупреждение, “холодный” – как другая категория. Это удобно не для букв, а для какого-нибудь состояния. В рамках букв это трудно применить, но, скажем, “точка” = краткий нагрев, “тире” = более длительный или более горячий – теоретически азбуку Морзе можно такtilно задать тепловыми импульсами, но практика показывает, что различать длительности тепловых импульсов сложно и медленно.

Недостатки:

• Медленное реагирование: терморецепторы имеют временну́ю задержку и инерционность. Нельзя передать быстрый поток символов – они просто сольются в одно чувство нагревания.
• Грубость пространственного ощущения: тепловое чувство более диффузно. Локализовать маленький нагретый участок хуже, чем точечную вибрацию – тепло распространяется. Например, два соседних нагревателя могут ощущаться как один широкий тёплый участок. Поэтому плотность каналов низкая (иначе взаимное влияние).
• Энергопотребление: нагрев требует намного больше энергии, чем вибрация или электроды. Чтобы поднять температуру кусочка кожи на пару градусов, нужно подать, грубо, несколько джоулей тепла. 1 Вт мощности за 1 с – уже 1 Дж, этого еле хватит. Вероятно, надо 2–4 Вт на элемент на секунду – и то, часть уходит в рассеиваемое тепло. Так что если запитать 10 нагревателей, мгновенный расход может быть десятки ватт. Батарея разрядится очень быстро при частых сигналах.
• Риск ожогов: если что-то пойдет не так (контроллер зависнет с нагревателем включенным), можно получить реальный ожог на коже. Поэтому обязательны защитные цепи – например, аппаратное отключение нагрева по истечении 1–2 с без обновления команды, датчики температуры на каждом элементе, ограничивающие максимум (скажем, не выше 42 °C). Это усложняет схему.

Вывод по термостимуляции: как основной способ – неэффективно для высокой скорости, но может быть применено как дополнение. Например, смешанный интерфейс: вибромоторы дают буквы, а нагреватель – показывает, что сообщение имеет высокий приоритет (все буквы “ощущаются теплее” – так мозг заметит разницу). Или использовать тепло как “второй слой”: предположим, одна система – вибромоторы передают текст, параллельно Peltier на шее создаёт фон: прохладный – режим “цифры”, нейтральный – буквы. Но такое перегруженное кодирование может вместо пользы только мешать.

Световые методы (ИК-лазер) тоже не получили распространения в человеческих интерфейсах, по причине опасности и тех же проблем. Хотя идея “передачи информации лучом на кожу” интересна, на практике безопаснее прикрепить источник прямо к коже, чем прицеливать лазером.

В целом, термо- и фотостимуляцию в сравнительной таблице оценим, но как вспомогательные. Основной упор – на механические и электрические.

3.4 Пневматические и воздушно-струйные устройства

Суть метода: создание воздушных потоков или давлений на кожу для вызывания ощущений. Это может быть реализовано с помощью сжатого воздуха, микровентиляторов или вибрации воздуха (звуком). Идея в том, что поток воздуха, направленный на кожу, особенно волосистую, вызовет ощущение движения, легкого дуновения, холода/тепла (если температура воздуха отличается). Также возможны пневмомеханические воздействия – например, разрежением втягивать кожу или наддувом приподнимать.

Компоненты устройства:

• Источники воздушного потока:
• Микровентиляторы – маленькие моторчики с крыльчаткой (как в охлаждении электроники, есть 10×10×3 мм вентиляторы). Они могут создавать направленный поток на короткую дистанцию (несколько см).
• Соленоидные воздухонагнетатели или микронасосы – для импульсной подачи воздуха. В медицинских приборах есть микропомпы. Например, перистальтические или диафрагменные насосики.
• Баллон сжатого газа + электромагнитный клапан – при открытии выпускается порция воздуха через сопло. Это быстрый сильный импульс, но запас газа ограничен (надо заправлять).
• Воздуховоды и сопла: направить поток надо точно на участки кожи. Если устройство носимое, можно проложить тонкие трубочки к каждой точке, где нужен выдох. На концах – небольшие сопла (диаметр ~1 мм, например). При подаче давления в трубку, на выходе образуется струя. Можно сделать матрицу отверстий в близости от кожи.
• Управление подачей: используется распределительный клапан или несколько клапанов – то есть, один насос может переключаться на разные выходы. Либо каждый канал имеет свой микронасос (но это громоздко). Вероятно, лучше один мини-компрессор (или пара) и электромагнитный клапанный блок на N каналов. Управляет микроконтроллер: открывает нужный клапан на нужное время. Параметры: давление (можно фиксированное ~10–50 кПа выше атмосферы), время открытия (0.1–0.5 с).
• Питание: насосы – электрические, потребляют несколько ватт, плюс клапаны (соленоиды) тоже по ~1–2 Вт каждый во время срабатывания, но кратковременно. Значит, нужна вполне мощная батарея, иначе требовать соединение с внешним питанием или баллоном.

Логика работы: допустим, у нас есть 8 сопел направленных на предплечье по кругу. Когда нужно передать символ, соответствующее сопло открывается на 0.2 с, выпускает струю воздуха на кожу. Пользователь чувствует легкий прохладный поток или шевеление волосков именно в этом месте – интерпретирует как букву. При закрытии клапана поток прекращается, ощущение быстро уходит (особенно если поток короткий). Это скорее похоже на прикосновение легкой кисточки. Если нужен более сильный эффект, можно длить поток дольше или больше давление, но слишком сильная струя может быть неприятной (как из баллончика с воздухом – холодный удар).

Вариации:

• Можно не дуть, а всасывать: маленькие вакуумные присоски – тогда вместо потока на кожу чувствуется втягивание. Это тоже ощущается (кожу чуть засасывает – похожее на давление). Но управлять вакуумом аналогично – нужен насос, только обратный (или Peltier эффект для холодка – не, это другое).
• Акустическое давление (звук): направленный ультразвук, о котором говорилось ранее, можно считать разновидностью пневматического воздействия (в конце концов, это волны воздуха). Компания Ultraleap (бывш. Ultrahaptics) создала массивы ультразвуковых излучателей, которые фокусируют волну и на расстоянии ~30 см от устройства можно почувствовать “пульсирующую точку” на ладони. Это высокотехнологичный вариант: он бесконтактный, но требует крупной решётки из десятков излучателей и много энергии. В носимом формате его трудно представить (разве что человек стоит в зоне действия стационарной панели). Так что для нашего рассмотрения – скорее не носимый вариант. Тем не менее, можно упомянуть как перспективу: если бы был портативный ультразвуковой перчаточный прибор, он мог бы проецировать тактильные буквы прямо на тело без контакта.

Преимущества воздушного метода:

• Полный комфорт (при слабых потоках): дуновение воздуха не вызывает ни боли, ни существенного раздражения. Это очень мягкий стимул. Можно даже на лице применять, и то будет просто ощущение ветерка.
• Бесконтактность: или по крайней мере минимальный контакт (некоторые трубочки рядом с кожей). Отсутствует трение или провода непосредственно на коже – значит, меньше шанс потертостей, аллергии.
• Широкая зона воздействия: поток можно ощутить даже если немного сместилось устройство. Лазер требовал точности, а струя воздуха – если двинулось сопло на пару мм, все равно попадет в ту же область примерно.
• Волосы усиливают эффект: для волосатых зон (руки, ноги, грудь у мужчин) ветерок сильно ощущается благодаря движению волос. Это даже более чувствительный канал, чем гладкая кожа. Природа предусматривает волоски как сенсоры легкого прикосновения (например, комар присел – мы чувствуем). Так что воздушная стимуляция особенно хороша для волосистой части (в русском тексте упомянули “волосяные фолликулы”).

Недостатки:

• Размер и шум оборудования: компрессор/насосы – обычно гудят или шипят. Даже небольшой вентилятор – слышим. Это снижает скрытность, если должен быть тайный интерфейс. Можно попытаться звукоизолировать, но сложно.
• Энергия: сжатие газа – энергозатратно. Мало отличается от нагревателя – тоже тратится работа. Батарея будет быстро садиться, если часто дуть. Клапаны/насосы к тому же тяжелее, чем электроника для вибромоторов.
• Медленнее вибраций, но быстрее тепла: ощущение ветра наступает довольно быстро (<0.1 с задержки, практически мгновенно как пришел поток), но само перемещение воздуха до кожи – миллисекунды, не проблема. Зато остановка – если поток нагрел или охладил кожу, тот эффект задержится, но обычно дуновение просто чувствуется во время движения. В принципе, можно темп 1 символ в 0.5 с пытаться (2 Гц), но если все 8 сопел дуют быстро одно за другим, потоки могут смешиваться. Надо, чтобы один прекратился, пользователь “сбросил” ощущение, потом другой. Скорее 1–2 символа/с реально.
• Управление сложнее: больше механики, выше шанс поломки (заклинил насос, утечка воздуха, замялся шланг). Обслуживание трудоемкое.

Пример: пусть «пневматический жилет» – на груди и спине несколько сопел, подключенных к миниатюрному воздуходуву. При сигнале сопло выстреливает короткую струю воздуха на спину – ощущается как кто-то ткнул или подул. Пользователь распознает. Ночью в тишине можно услышать слабый “пшик” конечно…

Вывод: пневмо-метод интересен, когда контакта избегают или хотят очень нежного воздействия. В переносных интерфейсах он менее практичен из-за громоздкости. Но если, например, делать кресло или кровать, через которую передается информация (странный случай, но вдруг), то в нее можно встроить компрессор и отверстия. В военной авиации, кстати, экспериментировали: пилотское кресло с пневматическими подушечками, надувающимися для передачи команд (вибрации могли мешать управлению, а вот мягкое давление – нет).

В наших конструкциях мы можем учесть пневматику как опцию для специальных случаев – например, если нужно передавать сигналы в воду (водяная струя на кожу, подводный интерфейс) или через защитную одежду (продувка воздуха под скафандром). Но для цели “текст на коже” – вряд ли оптимально.

3.5 Ультразвуковые и другие экзотические методы

Завершающий подраздел реализации посвящён краткому описанию методов, которые сейчас не широко применяются, но могут в перспективе дать интересный результат либо требуют инвазивного вмешательства.

• Фокусированный ультразвук (бесконтактный тактильный интерфейс): как упоминалось, с помощью массива излучателей можно создавать ощущение точки давления прямо на коже или даже в нескольких мм от неё, без физического контакта. Компания Ultraleap выпускает стационарные модули – они имеют ~256 ультразвуковых динамиков 40 кГц и могут создавать сложные вибро-узоры на дистанции до 50 см. Например, “нарисовать” букву тактильным ощущением на ладони. Преимущество – пользователь ничем не обременён, можно передавать “через воздух”. Недостаток – установка громоздкая, требует точного положения руки. На тело в движении не привяжешь легко. Для нашей задачи можно представить разве что комнатный проектор тактильных уведомлений (не совсем личный интерфейс). Поэтому мы не будем включать ультразвук в основные решения, но отметим, что технология развивается, и возможно, появятся портативные ультразвуковые браслеты или пояса.
• Электростатическая вибрация (эффект электрофореза): если на кожу подать переменное высокое напряжение без тока (например, через изолирующую пленку), возникает изменяющаяся электростатическая сила притяжения между пленкой и кожей, вызывая ощущение трения/вибрации. Такой принцип используется в некоторых сенсорных экранах для имитации текстуры (электровибрация). Теоретически можно сделать пояс с изолированной пластиковой полосой и подавая на секции переменное напряжение ~200 В, получить чувство как будто в этом месте трется поверхность. Это очень сложно откалибровать, зависит от сухости кожи, зазора. В целом, интересный, но не очень управляемый метод.
• Имплантированные вибраторы или магниты: продвинутый (и радикальный) вариант – внедрить под кожу маленькие магнитные капсулы, которые будут вибрировать под действием внешнего электромагнитного поля. Некоторыми энтузиастами делалось: небольшие неодимовые магнитики в пальцах позволяют “чувствовать” присутствие сильных полей (ток в проводе – начинает вибрировать от 50 Гц наводки). Для передачи осмысленной информации можно сделать кольцо или браслет с индукционными катушками: включая их по очереди, вызывать микровибрацию того или иного имплантата. Это превращает пользователя буквально в часть интерфейса. Но этот метод выходит за рамки неинвазивных – требуются операции. Мы его упомянем лишь как возможность в будущем для постоянных пользователей: имплантировать матрицу виброэлементов (например, набор магнитных тактильных мембран) – тогда внешнее устройство может вообще не соприкасаться, достаточно создать поле. Пока это фантастично в широком применении.
• Прямые нейронные интерфейсы: напоследок, самый прямолинейный подход – обойти кожу и подключиться к нервам или мозгу. Например, электроды на периферийные нервы (как делают для протезов, передающих чувство) или микростимуляторы в мозге (в зону соматосенсорной коры). Это на уровне исследований, но уже кое-что возможно: есть работы, где через вживленные интерфейсы людям с ампутированными конечностями возвращают чувство прикосновения путем электростимуляции нервных стволов. Теоретически, можно кодировать буквы импульсами прямо на нерв. Скорости при этом могут быть высокими, ограничены скорее распознающей способностью мозга. Но инвазивность, риски – не формат бытового интерфейса.

Перечисленные методы мы не будем глубоко прорабатывать, так как они либо нереализуемы носимым путём сейчас, либо слишком сложны. Однако, знание о них полезно: вдруг конкретные требования приведут к выбору, например, ультразвукового способа (если нужна полная бесконтактность и установка в среде).

Интеграция разных методов: стоит также упомянуть, что можно комбинировать две и более технологии в одном устройстве. Например:

• Вибротермический модуль: вибромотор с прикреплённым нагревателем – даёт и вибрацию, и локальный нагрев, расширяя ощущение.
• Электровибрация: совмещение электростимуляции с механической – электрод будет стимулировать рецепторы, а вокруг вибромотор усиливать восприятие.
• Пневмовибрация: струя воздуха может одновременно нести звук (например, свист на определенной частоте, а человек улавливает и звук ухом, и чувство кожей). Но это уже лишнее – лучше чистые каналы, иначе мозг путается, через ухо инфу – уже другой интерфейс.

Практическая реализация конкретного устройства зависит от приоритетов пользователя. В нашем случае, судя по описанию, пользователь сам предположил несколько методов (тактильный, электрический, свет/температура, воздушный, механический), значит, он открыт ко всем и хочет сравнить. Реалистично, скорее всего комбинация вибрационного и электростимуляционного даст лучший результат: вибрация – для относительно грубых но быстрых сигналов, электрика – для мелких локальных. Можно представить даже такой дизайн: на некоторых участках (например, на руке) стоят вибромоторы для буквы А–Я, а на пальцах – дополнительные электродики для цифр 0–9. Но для простоты, вероятно, выберут что-то одно.

На следующем этапе (раздел 4) мы сравним подробно все основные подходы – механический (вибро/нажатие), электрический, термо, воздушный – по ряду параметров: скорость передачи, аппаратная сложность/вес, энерго-потребление, удобство, и т.д. Это поможет сделать выводы, какое решение оптимально или в каких случаях применять тот или иной.

Перед этим, сведём ключевые моменты реализации:

• Мы описали конструкцию вибротактильного жилета/пояса – наиболее практичное на сегодня.
• Также конструкцию электротактильной матрицы на теле – тонкую, но требующую калибровки.
• Вспомогательные узлы: термоэлементы (скорее как опция, чем основа).
• Пневмосистема – менее портативна, но возможна стационарно.
• Если пользователь уделяет внимание волосяным фолликулам – наиболее их стимулирует воздушный поток и легкое касание. Вибрация на волосистом участке тоже задействует волоски (они будут колебаться – срезонанс, но основное ощущение от механорецепторов всё же). Электростимуляция волосистой кожи может вызывать дерганье волосков (мышцы у корней), кстати, интересный побочный эффект – “мурашки” можно вызывать.

На этом завершим практическую часть с описанием устройств. Далее – сводное сравнение и выводы.

4. Выводы и сравнение решений

В заключительном разделе подведём итоги исследования: сравним рассмотренные подходы по ключевым характеристикам, оценим, какой метод лучше подходит для задач высокоскоростной передачи информации через кожу, а также укажем плюсы и минусы каждого решения. Наконец, обсудим общие выводы о возможности реализации такого интерфейса и его перспективах.

4.1 Сводная таблица сравнения

Ниже представлена таблица, сравнивающая основные варианты тактильного интерфейса по нескольким параметрам:

• Подход (способ стимуляции) – название метода.
• Пропускная способность – ориентировочная максимальная скорость передачи информации (символов/сек или бит/сек), достижимая при использовании данного метода, при условии тренированного пользователя.
• Время реакции – насколько быстро ощущается единичный стимул (задержка восприятия).
• Аппаратная сложность – условная оценка сложности и массы оборудования (включая число компонентов, вес, громоздкость).
• Энергопотребление – относительная оценка требуемой мощности/ёмкости батареи.
• Комфорт и адаптация – субъективные факторы: удобство ношения, обучения, возможные неприятные ощущения.
• Примерные плюсы и минусы – кратко перечислены главные достоинства и недостатки (в тексте за пределами таблицы развернуто обсуждались, здесь для наглядности).

Способ	Скорость передачи	Время реакции	Оборудование (масса)	Энергопотребление	Комфорт, обучение	Плюсы / Минусы
Вибротактильный (механич.)	2–5 сим/с ( ~5–12 бит/с ). Реально ~1–2 сим/с для средн. пользователя.	~50 мс (быстро)	Много моторов, ~300–500 г (жилет/пояс). Средне сложно.	Умеренное. Например, 30 моторов × 0.1–0.2 Вт = ~3–6 Вт при активной работе.	Обычно комфортно, легкая щекотка. Обучение среднее (ассоциация точек).	+ Проверенная технология, высокая точность локализации, быстрота. + Относительно простое производство. — Оборудование ощутимо на теле (моторы, провода). — Возможен шум от вибраций.
Электротактильный (ток)	1–4 сим/с (4–8 бит/с). Лучшие случаи ~5 сим/с, обычно медленнее вибро из-за осторожности.	~5–20 мс (очень быстро) – восприятие импульса мгновенно.	Матрица электродов + электроника, ~100–200 г (легкий пояс/наклейка). Сложность высокая (многоканальный стимулятор).	Низкое-среднее. В среднем 0.5 Вт или менее (импульсный ток). Пиковые напряжения высокие, но токи малые.	Может быть покалывание, сначала непривычно/страшновато, но привыкаемо. Обучение среднее. Нужно калибровать под пользователя.	+ Плоское, гибкое устройство, можно скрыть под одеждой. + Очень быстрое включение/выключение, высокая потенц. плотность каналов. — Требует хорошего контакта и индивидуальной настройки (гель, влажность). — Риск дискомфорта/ошибок при неправильных настройках (боль, раздражение кожи).
Термостимуляция (нагрев)	< 1 сим/с (оценивается ~0.2–0.5 Гц). Практически 1 символ в 2–5 сек.	~0.5–1 с (медленно) – задержка до ощущения тепла.	Несколько нагревателей + контроллер, ~200 г (с учетом батареи побольше). Простая схема, но нужны темп.датчики.	Высокое. Один элемент ~1–2 Вт, при одноврем. работе нескольких – легко 10+ Вт. Батарея садится быстро.	Ощущения тепла обычно комфортные, но при ошибке – ожог. Обучение легкое для пары сигналов (тепло/холод), но трудно различать быстрые изменения.	+ Бесшумно, можно передавать обобщенные сигналы (например, предупреждения). + Простые компоненты. — Низкая скорость и разрешающая способность. — Большой расход энергии, риск перегрева, инерционность.
Воздушно-струйный (пневмо)	~1–2 сим/с (оценочно 2–4 бит/с). Быстрее трудно из-за пауз на распозн.	~100 мс (довольно быстро, поток сразу ощущается).	Насос/компрессор, клапаны, трубки – громоздко. Вес может быть 0.5–1 кг (непортативно без стац. размещения).	Высокое. Компрессор потребляет 5–20 Вт, клапаны по 1–2 Вт каждый при срабатывании. Неэкономично для батареи.	Ощущения легкого ветерка очень комфортны, не пугают. Обучение подобно вибро (места на теле). Но шум устройства может отвлекать.	+ Отсутствие непосредственного контакта – минимум раздражения кожи. + Хорошо ощущается на волосистых участках, естественное чувство. — Сложная и тяжелая аппаратура, шум при работе. — Трудно использовать мобильно, скорее для стационарных систем.
Ультразвук (бесконтакт.)	1–3 сим/с (пока опыт показ. невысокие скорости).	~50 мс (быстро, как вибрация).	Стационарный модуль, >1 кг (много излучателей). Носимого варианта нет сейчас.	Высокое (требуется несколько десятков ватт на фазированный массив).	Комфорт хороший (ощущается как мягкая пульсация на коже). Но требует точного положения тела в зоне действия.	+ Полностью без контакта – никакого нательного оборудования. + Можно сложные паттерны рисовать. — Экспериментальное и дорогое оборудование. — Непереносное, ограничено рабочей зоной.
Комбинированные/прочие	Зависит от сочетания (обычно ограничено самым медленным из сочетаемых).	Варьируется.	Сложнее и тяжелее, т.к. объединяет компоненты разных систем.	Суммарно не меньше, а часто больше (например вибро+тепло – потребляет как обе системы).	Может давать более богатые ощущения, но и перегружать пользователя множеством стимулов. Обучение сложное (двумерный код).	+ Теоретически повышение информативности (например, и место, и вид стимула кодируют разные значения). — Практически – усложнение конструкции и когнитивной нагрузки, риск запутать пользователя.

(Примечание: численные оценки в таблице приблизительны, получены на основе обзора литературы и инженерной оценки; они могут меняться в зависимости от конкретной реализации и тренированности пользователя. Например, некоторые люди смогут различать вибросигналы быстрее средней нормы, а электрические могут показать выше скорость после длительной адаптации.)

4.2 Обсуждение плюсов и минусов решений

Механический виброинтерфейс представляется наиболее зрелым и сбалансированным решением. Его главные сильные стороны – высокая тактильная чувствительность и скорость, подтвержденные множеством исследований (виброалфавиты, тактильные дисплеи). Технически он выполним с доступными компонентами (вибромоторы, микро-контроллеры) без экзотики. Люди относительно быстро привыкают к вибросигналам и могут достичь приемлемых скоростей передачи (несколько десятков слов в минуту). К недостаткам относятся физические аспекты: носимый жилет/пояс с моторами – это всё-таки устройство, которое надо надеть, оно добавляет вес, может быть заметно под одеждой. Кроме того, есть ограничение по плотности – слишком мелкие или близкие виброэлементы сложно различать. В практике стараются не менее ~2–3 см между вибромоторами на туловище. То есть, если хотеть 33 разных позиций, придётся охватить довольно большую площадь (всю окружность туловища, например). Вибрация почти не вызывает повреждений, но при длительном использовании может возникать утомление рецепторов (вибрационное онемение, особенно на высоких частотах – поэтому иногда делают паузы или меняют частоту). Звук вибромоторов минимален, но при работе нескольких может появиться лёгкий гул – неразборчивый, но существующий.

Электростимуляция – привлекательна малым размером: можно реализовать тактильный “экран” толщиной миллиметры. Она позволяет потенциально более высокое “разрешение” – много электродов на небольшом участке (например, на языке 144 электрода передавали “картинку” с камеры). Для букв такой детализации не нужно, но приятно знать, что масштабировать систему возможно. Обратная сторона – человек не так привычен к электрическим ощущениям. Перебор с силой вызывает боль – это резко отрицательный фактор, может отбить охоту пользоваться. Поэтому системе электростимуляции критически необходим настройка интенсивности под субъекта и механизм безопасности. При соблюдении этих условий, большинство людей адаптируется. В примере BrainPort, после некоторого времени использования, пользователи уже не чувствовали “удар током”, а воспринимали просто движение или форму. То есть мозг даже перестраивал качество ощущения. Электрический способ также выигрывает тем, что не требует подвижных частей (значит, надёжнее в долгосрочной перспективе – ничего не изнашивается механически). Но электронная схема сложнее, и больше потенциальных точек сбоя (каждый канал – транзистор, резистор, конденсатор, etc). Также электроника должна быть влагозащищена, а тут парадокс: для лучшей проводимости коже нужна влажность (пот или гель). Это управляется, но увеличивает сложность использования (нанести гель, надеть точно, чтобы не сместилось, после сессии протереть, электроды не окислились и т. п.). Временем работы от батареи электростимуляция выигрывает: реально средний ток за сессию небольшой, так что устройство может быть компактным автономным.

Тепловой интерфейс оказался самым медленным и энергозатратным. Его можно рекомендовать разве что для подачи простых сигналов, а не текста. Например, виброжилет + нагреватель: вибрацией передаем слова, а нагревом отмечаем когда пришло важное сообщение (весь жилет чуть согрелся – “обрати внимание”). В таком случае, да, тепловой канал выступает как канал-метка или модификатор, а не несёт сам контент. Самостоятельно же он мало пригоден для оперативной информации. Возможно, в будущем, если найдут более эффективные материалы (например, на основе изменяющей фазу жидкости с микропомпой, которая очень быстро охлаждает/нагревает микрозоны), можно ускорить тепловые стимулы. Сейчас же – это больше вспомогательное средство.

Воздушно-струйный метод по характеристикам близок к механическому, но проигрывает в практичности: не носибелен легко, шумен. Его можно применять в особых условиях: скажем, герметичный костюм – нельзя напрямую прикоснуться к коже, но можно подавать воздух по каналам внутри костюма. Или тактильное общение под водой – воздух через тонкую прослойку гидрокостюма. В обычной жизни проще моторчики прикрепить. Однако, одно интересное преимущество струй: их можно очень быстро перенаправлять электромагнитными клапанами – быстрее, чем перемещать механические части. И теоретически, одним соплом можно адресно воздействовать на разные точки, изменяя угол струи. Например, известны устройства, где воздушная пушка меняет направление, стреляя “кольцами вихря” в разные концы комнаты, и человек чувствует, куда попало. Но такая точность для близкого тела трудно достижима. При небольшом расстоянии (1–3 см) струя распространяется конусом – на участке тела она захватит область несколько сантиметров. Так что адресность не выше, чем у вибро.

Ультразвук и прочие – в целом, пока экзотика. В рамках 3–5 лет реализации проекта можно их не рассматривать как опцию. Но держать в уме: возможно, наша задача в будущем решится совсем по-другому – скажем, человек будет носить браслет, проецирующий ультразвуком на предплечье “бегущие волны” – без контакта, без проводов. Или вообще, как в научной фантастике, нервный стимулятор на шейном отделе – чип, который стимуляцией спинного мозга навязывает ощущения букв (прямо “снизу вверх” по восходящим путям). Но это выходит за рамки “кожа/фолликулы”, хотя реализует цель.

4.3 Общий вывод и рекомендации

Реализуемость одностороннего машинно-кожного интерфейса: проведение данной работы показывает, что с современной технологической точки зрения вполне возможно создать устройство, которое будет передавать символическую информацию (буквы, цифры) через кожные ощущения. Примеры сенсорных субституций – от экспериментов Бах-и-Риты до коммерческого устройства BrainPort – подтверждают, что мозг человека может научиться видеть/слышать кожей. Хотя изначально разрешающая способность кожи ниже, за счёт обучения и нейропластичности мозг компенсирует это. Следовательно, разработка “тактильного дисплея” для букв – реалистичная задача.

Рекомендованный подход: исходя из сравнительного анализа, наиболее рациональным решением будет использовать вибротактильный метод с распределёнными по телу микроактуаторами для передачи основной последовательности символов. Этот метод обеспечит наилучшее сочетание скорости и надежности восприятия. В качестве расширения или альтернативы, электротактильная матрица может быть применена, особенно если критичны толщина устройства и скрытность. Однако, электростимуляция потребует более внимательного отношения к пользователю (калибровка, контроль безопасности).

Комбинированное использование: например, можно создать прототип, где на корпусе (туловище) реализованы вибромоторы для 80% коммуникации, а на некоторых областях (как запястья или пальцы) – небольшие электростимуляторы для доп. сигналов. Или даже (как предлагалось в сценарии обучения) – один канал вибрации + зрительный/звуковой канал для обучения. Изначально, можно синхронно показывать букву на экране, произносить её вслух и давать тактильный сигнал. Через некоторое время пользователь начнет уверенно связывать тактильные ощущения с буквами без визуальной/аудио поддержки.

Обратная связь: двусторонний интерфейс можно сделать, включая датчики на виброэлементах или отдельные кнопки для пользователя, но на первом этапе можно ограничиться односторонним, т.к. это уже непростая система. Если очень нужно, проще дать пользователю мобильное приложение или кнопочный модуль для ответа, чем усложнять тактильный костюм сенсорами – хотя в будущем, для полной секретности, стоит проработать (например, жесты наклоном тела или напряжением мышцы).

Обучаемость: необходимо предусмотреть программу тренировки. Первые сессии – медленно по алфавиту, с мультисенсорным подкреплением. Далее – постепенно ускорять и убирать подсказки. Возможно, потребуется от 10 до 50 часов практики, чтобы достичь беглого “чтения” кожей (судя по аналогиям с Vibratese – там 12 часов дали 38 wpm для одаренного участника, но большинство людей, вероятно, пойдут медленней). Надо настроить ожидания пользователя: вначале скорость будет очень низкой, но с тренировкой существенно вырастет.

Применение и перспективы: такое устройство найдёт применение для людей с ограничениями зрения/слуха, для скрытого тактического общения, для получения данных в случаях, когда глаза и уши заняты (например, пилоты, солдаты). Более футуристично – можно передавать не только буквы, но и более сложную инфу: графики, схемы (как делали на спине у Бах-и-Риты), навигационные указания (вибропояса уже используются – указывают направление вибрацией с определенной стороны). То есть, разработанный интерфейс легко превращается в модуль расширенной реальности, добавляя “осязательный канал” к потоку информации, что подтвердило исследования: “кожа – высокопроизводительный почти неиспользуемый канал для новых потоков данных”.

Основные ограничения: в текущем состоянии технологии, даже лучший тактильный интерфейс уступит визуальному по скорости (различие порядков: зрением – десятки бит/c, кожей – единицы бит/с). Поэтому не стоит ставить цель заменить привычные методы для всех. Скорее, это нишевое решение для особых ситуаций. Но в этих ситуациях оно уникально – ведь другой альтернативы нет, кроме как получать информацию через кожу.

Подводя итог, проект тактильного алфавитного интерфейса возможен и может быть успешно выполнен. Рекомендуем сфокусироваться на вибрационной реализации с возможностью масштабирования каналов, и провести серию экспериментов с пользователем для оптимизации расположения и кодирования. В результате мы получим исчерпывающую документацию (данный текст составляет её основу) и работающее устройство-прототип, позволяющее передать текстовые данные от машины к мозгу человека через буквальное осязание информации – превращая кожу в экран, читаемый разумом.

---

Глоссарий

[^1]: Кожный покров (кожа) – внешний покров тела человека, содержащий рецепторы осязания (механорецепторы), температуры (терморецепторы) и боли (ноцицепторы). В контексте интерфейса через кожу рассматриваются главным образом механорецепторы, включая рецепторы при основании волосяных фолликулов (волос) – они воспринимают движение волоса при касании или воздушном потоке.

[^2]: Тактильный (гаптический) стимул, вибротактильный/электротактильный – связанный с осязанием. Вибротактильный означает механическую вибрацию, передаваемую коже (обычно с помощью вибромотора или пьезоэлемента). Электротактильный – воздействие электрическим током на кожу для вызова ощущения. Гаптика – область, изучающая тактильную связь между устройствами и человеком.

[^3]: Машинно-человеческий интерфейс (HMI) – система, через которую машина (устройство, компьютер) передает информацию человеку. В данном случае “односторонний” означает, что информация идет только от машины к человеку (в отличие от двустороннего, где есть и ввод от человека). Иногда употребляется также “интерфейс человек-машина”, хотя обычно под HMI подразумевают оба направления.

[^4]: Обратная связь – ответный сигнал от принимающей стороны к передающей. В традиционном смысле – если машина подает человеку информацию, обратная связь – реакция человека, считываемая машиной. В контексте интерфейса обсуждается, как человек мог бы отправлять информацию машине, используя схожий тактильный/телесный канал (например, нажатиями, жестами), или как система может автоматически адаптироваться, “понимая”, воспринял ли человек сигнал (например, через датчики физиологии).

[^5]: Безопасность, отсутствие вреда – важный аспект при создании интерфейсов, взаимодействующих с телом. Подразумевается ограничение параметров стимулов в безопасном диапазоне: например, для электрического тока через кожу общеприняты безопасные уровни ~≤ 10 мА (миллиампер), для нагрева – температуры ≤ 42 °C (выше может быть ожог при длительном воздействии). Также недопустимо длительное воздействие вибрацией высокой амплитуды (может привести к вибротравме). Проектные решения должны учитывать эти факторы – например, аппаратные лимитеры тока, таймер отключения нагревателя, округлые формы деталей, чтобы не царапать кожу и т. д.

[^6]: Нейропластичность (пластичность мозга) – свойство мозга изменять свою организацию и функции под влиянием опыта и обучения. В контексте сенсорных интерфейсов это означает, что мозг может “переназначить” значение сигналов: например, зона мозга, обычно отвечающая за зрение, может начать обрабатывать тактильные входы у слепого человека. Благодаря нейропластичности, люди могут обучиться воспринимать ранее непонятные стимулы как осмысленную информацию.

[^7]: Vibratese – экспериментальный вибрационный язык (алфавит) для коммуникации через кожу, разработанный Ф. Гелдардом (Frank Geldard) в середине XX века. В Vibratese использовались комбинации различных параметров вибросигналов (место на теле, длительность, интенсивность) для кодирования букв и цифр. Несмотря на продемонстрированную возможность достаточно быстрой передачи текста (до 38 слов/мин у тренированных пользователей), язык не получил широкого распространения из-за сложности изучения.

[^8]: Азбука Морзе – система кодирования символов (букв, цифр) посредством последовательностей коротких и длинных сигналов (точек и тире). Изначально использовалась в телеграфе (звуковые сигналы), но может быть применена в любом другом модальном представлении – световыми вспышками, вибрацией, и т. д. В тактильном интерфейсе азбука Морзе является одним из возможных способов последовательного кодирования букв через один канал. Однако скорость восприятия Морзе на ощупь ниже, чем на слух.

[^9]: Элемент Пельтье (термоэлектрический охладитель/нагреватель) – полупроводниковое устройство, которое при пропускании через него электрического тока создает разницу температур на двух сторонах (одна сторона охлаждается, другая нагревается). Используется в портативных охлаждающих устройствах. В тактильном интерфейсе может быть применен для локального охлаждения или нагрева кожи (реверсируя ток, можно переключать горячо/холодно). Недостатки – потребляет большой ток и выделяет значительное тепло на противоположной стороне (которое надо отводить).

[^10]: ЭЭГ (электроэнцефалография) – метод регистрации электрической активности мозга через электроды, размещенные на голове. Применяется для изучения работы мозга и в интерфейсах мозг-компьютер. В тексте упоминается в контексте, что система теоретически могла бы использовать ЭЭГ для определения, воспринял ли пользователь стимул (например, улавливая вызванный потенциал типа P300, характерный при узнавании стимула). Это пока больше предмет исследований и не реализовано в бытовых устройствах.