Interfaces Hápticas (#7.ART, 2008)

INTERFACES HÁPTICAS1 Dispositivos não convencionais de interação Alexandra Cristina Moreira Caetano Laboratório de Pesquisa em Arte e Realidade Virtual – IdA- UnB RESUMO: Este texto trata das possibilidades de interação humano-máquinas por meio do uso de interfaces hápticas. Faz-se um histórico dos dispositivos de interação a partir de Douglas Engelbart, inventor do mouse, rumo ao novo paradigma da interação humano-máquina. Abordam-se dispositivos não convencionais desenvolvidos a partir do Wii, bem como dispositivos ainda não comercializáveis como a interface háptica por levitação magnética e a "interface cérebro-máquina”. São apresentadas as perspectivas de interação das novas interfaces hápticas e suas possibilidades de aplicação em gamearte e realidade virtual e aumentada. PALAVRAS-CHAVE: interface, dispositivos, hápticos, interação O estudo para desenvolvimento de interfaces hápticas representa a busca por dispositivos que permitam uma interação com os sistemas virtuais de modo sensoriamente similar às interações presentes no mundo físico. Eliane Mauerberg-deCastro (2004) afirma que o sistema háptico está relacionado com a percepção de textura, movimento e forças através da coordenação de esforços dos receptores do tato, visão, audição e propriocepção, assim, “a função háptica depende da exploração ativa do ambiente, seja este estável ou em movimento”. Perceber os ambientes virtuais por meio de um sistema háptico é o objetivo destas interfaces. Segundo Christopher M. Smith (1997), háptico é o estudo de como combinar os sentidos humanos com a sensação de contato com um mundo gerado por computador. Os dispositivos convencionais de interação homemmáquina não fornecem ao interator feedback de força, ou mesmo feedback de tato. A pesquisa com dispositivos hápticos visa resolver a falta de estímulo para o sentido de tato na interação homem-máquina, ao investir no aumento da interatividade e em tornar esta interação mais intuitiva e natural. 1 Artigo apresentado no 7º Encontro Internacional de Arte e Tecnologia, 2008, Brasília/DF. Publicado no Anais do 7º Encontro Internacional de Arte e Tecnologia. Brasília/DF: Instituto de Arte Departamento de Artes Visuais UnB, 2008, p. 10-15. 1 Para se discorrer sobre as interfaces hápticas que hoje levam o homem a vislumbrar novas possibilidades de interação humano-máquina, faz-se necessário um breve percurso histórico pelos dispositivos conhecidos de interação. O estudo histórico é o ponto de partida para a nova geração de dispositivos que permitem diferentes formas de interação, modificando a relação que o homem estabelece com o ambiente virtual. Pesquisas são realizadas para desenvolvimento de interfaces hápticas e novos dispositivos surgem a partir de conceitos mais abrangentes da interação homem-máquina. Muitas interfaces pesquisadas terão aplicações bastante específicas em áreas como a medicina, a engenharia, ou a arqueologia, porém algumas chegarão ao mercado e serão exploradas pelos artistas que trabalham e desenvolvem pesquisa em arte e tecnologia. Estas interfaces hápticas, que já são a revolução pelo que representam em possibilidades interativas, ganham, então, novas contextualizações. Pela velocidade e intensidade com que pesquisas em dispositivos hápticos têm sido realizadas, em breve o interator poderá se livrar do mouse, teclado e joystick, basta esperar por uma "interface cérebro-máquina". Vislumbra-se um futuro no qual os limites entre o real e o virtual serão cada vez menos rígidos e definidos, em função da potencialização das interações, e o limite destes dispositivos de interação talvez se encontre apenas na mente humana. 1. Do mouse ao joystick – Dispositivos tradicionais de interação A invenção do mouse por Douglas Engelbart, em 1968, é um marco nas pesquisas de dispositivos de interação homem-máquina. Este primeiro dispositivo, XY Position Indicator For a Display System, consistia numa caixa de madeira com um cabo e um único botão. Construído artesanalmente, esse dispositivo tinha praticamente a mesma função dos mouses2 atuais. Como os computadores da época eram incapazes de processar recursos gráficos avançados e trabalhavam basicamente com texto, o dispositivo mostrou-se pouco prático e sua utilização inexpressiva. Foram precisos quase 2 Mouse é um dispositivo que se comunica com o computador para mover na tela um cursor, que serve para manipular e mover determinados recursos exibidos. 2 20 anos para que Engelbart pudesse ver o mouse ser combinado com uma interface gráfica inovadora3, repercutindo positivamente entre os usuários do computador. Encontram-se no mercado tipos de mouse com funcionamentos diferenciados, sendo os mais usados os mouses com esfera e mouses ópticos e sua variação, os mouses a laser. O mouse é um dispositivo que se comunica com o computador para mover na tela um cursor, que serve para manipular e mover determinados recursos exibidos. A diferenciação entre os tipos disponíveis se dá pelas técnicas que permitem a movimentação do cursor e os cliques. Porém, cada vez mais comuns são os mouses sem fio, ou mouses wireless, que são dispositivos que utilizam tecnologias de rádio-freqüência para transmitir os dados do mouse para o computador, enquanto a tecnologia de captação de movimentos é óptica, seja LED ou laser. O mouse sem fio foi a interface háptica escolhida pela artista Tânia Fraga para que o intérprete pudesse interagir, em tempo real, com o espaço cênico constituído por cibercenários4 desenvolvidos pela artista. Aurora 2001 – Fogo no Céu, com coreografia de Maida Withers, foi o primeiro cibercenário construído para uma apresentação de dança. Em Fertilidade: Duas Estações, com coreografia de Andréa Fraga, a performer grávida interage com os cibercenários por meio do mouse sem fio. Em Hekuras, Karuanas e Kurupiras (2002), Tânia Fraga lança um novo olhar sobre a Amazônica. Durante o espetáculo, cada performer, manipulando um mouse sem fio, dá movimento aos nichos virtuais que constituem os cibercenários e realiza escolhas que compõem uma cena única, que não se repete em outras apresentações (FRAGA, 2004). Mas se a invenção do mouse já foi direcionada para seu uso como dispositivo computacional, o mesmo não se pode dizer do joystick, que originalmente foi desenvolvido como controle de aeronaves e elevadores. As principais alterações voltadas para uma melhor aplicabilidade dos dispositivos aos jogos eletrônicos foram realizadas por Nolan Bushnell, em 19775. 3 Lançamento do Macintosh pela Apple, em 1984. “Cibercenários são compostos por cibermundos e ciberseres os quais são objetos 3D sintéticos criados através das linguagens VRML (Virtual Reality Modeling Language), Java e JavaScript” (FRAGA,2004,p.116) 5 Lançamento do controle do Atari 2600. 4 3 Inicialmente com apenas um botão e oito direções do manche jogava-se vários jogos. O aperfeiçoamento desta interface acompanhou a complexidade dos jogos. Assim, jogos mais complexos exigem maior número de botões e funções, bem como um formato mais anatômico e maior mobilidade dos controles analógicos presentes no joystick. Passadas pouco mais de duas décadas, desde a popularização do joystick, o dispositivo passa a incluir dois manches a serem manipulados com os polegares, além de tremer em situações mais intensas de ação6. Os desenvolvedores de consoles passam a buscar por interfaces capazes de darem maior sensibilidade ao usuário, garantindo uma maior imersão do jogador no ambiente do jogo. 2. Wii – A revolução no modo de jogar Com o lançamento da plataforma Wii, em 2006, a Nintendo revolucionou não apenas o mercado dos games, mas especialmente a forma de jogar. O Wii-remote, ou simplesmente Wiimote, possui uma interface intuitivamente simples e natural, tornando mais fácil a tarefa de jogar. Basta mover o Wiimote conforme o movimento que se espera do avatar no jogo. O controle opera no espaço 3D, como um mouse aéreo. Utiliza a tecnologia sem fio para comunicar ao console os dados de sua posição no espaço tridimensional, bem como ângulos de inclinação e aceleração dos movimentos capturados por meio de um giroscópio e detecção de luzes infravermelhas, pelo sistema de captura de imagens posicionado na parte frontal do Wiimote. O dispositivo tem um sistema de vibração e um pequeno alto-falante que emitirá sons mais simples e próximos, como o bater da espada ou o som de um tiro, e uma bateria de 6Kb. O movimento do dispositivo de interação coloca o jogador literalmente em ação, e garante a participação no ambiente virtual do jogo. YoungHyun Chung7 desenvolveu o projeto Digital Wheel Art após interagir com as crianças que sofrem de paralisia cerebral e que a princípio estariam incapacitadas de se expressarem artisticamente em função de suas limitações físicas. Neste projeto, Chung criou um programa de pintura digital que traça o percurso da Wiimote, a partir das idéias desenvolvidas por Johnny 6 7 Playstation 2, Sony, 2000. Interactive Telecommunications Program at Tisch School of the Arts, New York University 4 Lee no whiteboard. O dispositivo foi associado a uma cadeira de rodas, permitindo às pessoas com deficiência pintar digitalmente com simples movimentos. Para alterar as cores, o usuário tem apenas a inclinação da sua cabeça. O Digital Wheel Art permite que os desenhos finais sejam salvos, bem como o processo dinâmico das pincelas digitais, auxiliando no entendimento dos momentos criativos de seus usuários. Numa abordagem mais lúdica, tem-se o WiiSpray, desenvolvido como projeto de graduação de Martin Lihs e Frank Matuse8, simula uma lata de spray e permite ao usuário grafitar em ambiente virtual. A idéia básica era a de construir uma interface que fosse semelhante ao instrumento analógico existente. A utilização de WiiSpray é semelhante à do spray, mas sem as cores e os cheiros tóxicos; é intuitiva, basta pulverizar. WiiSpray é baseado em Adobe Flash, um WiiFlashServer e do Wiimote. Os desenhos, grafitis, ou mesmo pichações virtuais feitas com o dispositivo podem ser salvos, assim que concluídos e carregados em um ambiente virtual. No gamearte Fluidos9 (2006/2007), Suzete Venturelli e Mario Maciel buscam apresentar como o ato simples de fazer visível o invisível pode produzir efeitos importantes na compreensão do mundo que nos cerca, assim como na relação estreita que estabelecemos com as coisas naturais e com o ambiente construído ocupado. A proposta artística é mergulhar nas formas intangíveis, à medida que lida com o lado humano visceral de se surpreender por estímulos visuais relacionando a conexão estabelecida com ondas de forças de energia, que habitam os espaços ocupados, mas que não podem ser visualizadas. O Wiimote é o dispositivo para a interação do público, que possibilita uma interação maior, simples e natural. As informações de coordenadas calculadas juntamente com o estado dos botões (pressionado ou não) são transmitidas para o computador através de uma conexão bluetooth possibilitando controle do software. A interação computador-Wiimote recorre ao sensor bar10, que deve ficar abaixo da tela do computador, e que tem como função emitir luz infravermelho constantemente. Ao movimentar o dispositivo, o 8 Universidade Bauhaus Weimarvon Trabalho coordenado por Mario Maciel e Suzete Venturelli. Desenvolvido por Johnny Souza da ciência da computação e Ronaldo Ribeiro de artes visuais, Laboratório de pesquisa em arte e realidade virtual da UnB. 10 dispositivo formado por 4 LED's infra-vermelho alimentados em 5v por uma porta USB. 9 5 jogador altera formas e cores, estabelecendo diferentes dinâmicas e construindo imagens interativas na tela. As imagens não se repetem, tornando possível a cada usuário ter uma experiência sensorial diferente. 3. Interface Háptica de Levitação Magnética Os dispositivos hápticos disponíveis baseiam-se em estruturas mecânicas, utilizando motores e rolamentos para fornecer a sensação do toque e do feedback de força. Segundo Peter J. Berkelman and Ralph L. Hollis11, o uso da levitação magnética para dispositivos hápticos difere da acionada por cabos ou engrenagens e torna preciso e suave os movimentos. Além disso, fornece aos usuários uma sensação de toque capaz de transmitir até mesmo a textura do objeto virtual tocado. O primeiro protótipo da interface háptica foi produzido em 1997. Desde então, pesquisas são realizadas para melhoria de desempenho e dos aspectos ergonômicos, bem como para redução do custo de produção. Nesta fase do projeto, dez dispositivos inteiramente funcionais foram montados e distribuídos entre pesquisadores de interfaces hápticas de instituições nos EUA e Canadá12. Para isto a Carnegie Mellon se juntou às Universidades americanas de Harvard, Stanford, Purdue, Cornell e à canadense Columbia Britânica para formar o Magnetic Levitation Haptic Consortium (Consórcio de Levitação Magnética Háptica), uma instituição internacional dedicada a incentivar e disseminar o uso desta tecnologia. A interface háptica por levitação magnética substitui as conexões rígidas, composta por cabos e outros aparatos mecânicos por uma única parte móvel, sustentada por campos magnéticos, desta forma eliminando todo o "ruído" do atrito criado pelos aparelhos tradicionais. A base do dispositivo contém um conjunto de ímãs permanentes em formato hemisférico. A parte flutuante consiste numa meia-esfera com seis bobinas metálicas embaixo e um joystick, na parte superior. Quando a corrente elétrica passa por estas bobinas, o campo magnético faz com que a meia-esfera flutue e possa ser manuseada 11 cientistas da universidade norte-americana Carnegie Mellon Peter Berkelman (Hawaii), Mark Dzmura, Ian Friedman, Rob Howe (Harvard), John Hollerbach (Utah), Ralph Hollis, Keetak Hong, Doug James, Oussama Khatib (Stanford), Roberta Klatzky, Joey Liang, Dan O'Halloran, Jim Osborn, Dinesh Pai (Rutgers), Matt Pucevich, Tim Salcudean (UBC), Hong Tan (Purdue), Bert Unger, and Vinithra Varadharajan. 12 6 suavemente. O joystick é manuseado de maneira similar ao mouse, só que em três dimensões, com seis graus de liberdade. Sensores ópticos medem a posição e a orientação da seção flutuante, usando estas informações para controlar a posição e a orientação de um objeto virtual na tela do computador. A dinâmica tridimensional do joystick permite ao usuário sentir o movimento, a forma, a resistência, e a textura da superfície dos objetos virtuais. Desta forma, quando o objeto virtual encontra outras superfícies e objetos, os sinais correspondentes são enviados de volta para a bobinas elétricas da parte flutuante do dispositivo, resultando em um feedback háptico para o usuário. A interface de levitação magnética permite ao usuário mover o cursor para qualquer ponto dentro do ambiente virtual tridimensional, e interagir com os objetos deste ambiente ao tocá-los. A interação depende das características atribuídas a estes objetos ou superfícies, tais como textura, posição ou peso. Baseado nestas características, os campos magnéticos aplicados ao dispositivo variam, resultando na aplicação de forças ao joystick, que fará com que o usuário “sinta” o esforço necessário para provocar o deslocamento dos objetos na tela. Assim, Benito Piropo (2008) aponta algumas possibilidades de interação. Num ambiente virtual13 constituído por um cubo de ferro, outro de madeira e uma esfera, todos em repouso sobre uma superfície horizontal de feltro limitada por quatro paredes verticais de madeira, o usuário pode mover o cursor até que ele “toque” um dos três objetos e forçá-lo contra o objeto para tentar “empurrar” este objeto na direção de uma das paredes. A reação percebida no joystick dependerá do material do qual é constituído o cubo, bem como da intensidade do atrito provocado entre o objeto e o piso. Já a esfera será deslocada rapidamente para frente, fazendo com que o usuário sinta apenas por um momento a reação no joystick, reação que desaparece quando a esfera começa a “rolar” para adiante. E, em todos os casos, quando um dos objetos ou o próprio cursor tocar uma das paredes laterais, a força de reação será tão grande que o joystick não poderá continuar se movendo naquela direção. O joystick permite ainda ao usuário executar três tipos de ações: arremessar, girar e desviar o movimento, que serão processadas e aplicadas 13 O ambiente virtual é criado a partir de um modelo matemático, selecionando os parâmetros de movimentação dos objetos e as forças a eles aplicadas, tais como peso, e atrito, bem como definindo as equações que definem a interação. 7 ao dispositivo em função das variações na intensidade dos campos magnéticos dos seis eletroímãs. O objetivo do Consórcio Mag-Lev é promover uma maior utilização desta tecnologia, para partilhar experiências e resultados da investigação, para desenvolver e compartilhar software de renderização háptica utilizando os dispositivos hápticos de levitação magnética, além de trabalhar em conjunto como uma comunidade de aplicar os conhecimentos desenvolvidos para problemas importantes. Com o aperfeiçoamento desta nova interface háptica resultado das pesquisas, o usuário poderá distinguir texturas, sentir a reação de objetos e perceber pequenas mudanças em suas posições, já que a interface responde prontamente às alterações de movimentos. 4. Interface cérebro-máquina O Advanced Research Laboratory14 da Hitachi vem desenvolvendo uma interface cérebro-máquina que permite aos usuários ligar e desligar interruptores com a mente. A pesquisa chefiada por Hideaki Koizumi15 apóia-se em topografia óptica, que envia pequenas quantidades de luz infravermelho através da superfície do cérebro, para mapear mudanças na corrente sanguínea. A interface é composta por uma espécie de capacete conectado através de fibra ótica a um dispositivo de mapeamento da concentração sanguínea no cérebro. O sistema pode reconhecer pequenas mudanças no fluxo sanguíneo cerebral associada a atividade mental e traduzir essas alterações em sinais de tensão para controlar dispositivos externos. Essa nova tecnologia demonstrada no Japão pode tornar possível controlar dispositivos sem mexer um músculo, apenas com a atividade cerebral. Nos experimentos, os indivíduos foram capazes de ativar o interruptor ao formarem um modelo mental através da realização de contas aritméticas, recitando itens da memória ou mesmo cantarolando. O protótipo interface cérebro-máquina permite apenas simples controle dos interruptores, mas com uma melhor compreensão das sutis variações nas concentrações sanguíneas associadas com várias atividades cerebrais, os 14 15 Hatoyama,Japão http://www.cbc.ca/technology/story/2007/06/22/tech-brain-machine.html 8 sinais podem ser refinados e usados para controlar mais complexas operações mecânicas. Uma das vantagens desta tecnologia desenvolvida pela Hitachi é que os sensores não invadem fisicamente o cérebro, ao contrário de outras pesquisas neste campo que requeriam a implantação de um microchip sob o crânio. A longo prazo, a tecnologia da interface cérebro-máquina poderá ajudar a pacientes paralisados tornarem-se independentes, habilitando-os a executar ações através de estímulos mentais. A curto prazo, a Hitachi vê potenciais aplicações para esta interface na reabilitação cognitiva, onde poderá ser usada como uma ferramenta divertida para demonstrar uma evolução do paciente. A interface cérebro-máquina encontra-se em fase de aperfeiçoamento a fim de se realizar pequenos ajustes que impeçam, por exemplo, interferências de outras ondas cerebrais, para tornar esta tecnologia comercializável em cinco anos. Nesta perspectiva, aplicações que visem à eliminação de qualquer tipo de controle remoto podem ser imaginadas. CONCLUSÃO As pesquisas por interfaces hápticas que forneçam feedbacks de força, textura, movimento, pressão e até mesmo de peso cada vez mais precisos avançam e buscam desenvolver sistemas que aproximem as sensações virtuais das físicas, até que não seja mais possível distingui-las. Entretanto observa-se que o caminho ainda é longo. As aplicações se potencializam, aumentando a interatividade homemmáquina, bem como possibilitar maior imersão. As interfaces aqui apresentadas estão longe de representarem a maioria das pesquisas que hoje são realizadas, em especial na área médica e de reabilitação. Buscou-se focar nas interfaces que possam de alguma forma ser utilizadas em trabalhos artísticos, ou em performances que envolvam realidade virtual, ou que partam da interação do usuário com ambientes virtuais. Segundo Suzete Venturelli (2007), o artista passou a ocupar uma multiplicidade de espaços e de tempos específicos, esta teia de conexões, compõe uma complexa rede na qual passaram a ser elaboradas sua vida e sua arte. Parafraseando Venturelli, o estudo e pesquisa das interfaces hápticas 9 auxiliam o artista a explorar inúmeras conexões considerando a velocidade, a natureza, o ritmo, os fluxos, e os dados, que atravessam os conteúdos e mensagens que o artista deseja passar. As interfaces hápticas não convencionais têm sido largamente utilizadas em diferentes áreas: médica, militar, aero-espacial, robótica, submarina, ou exploração em lugares inóspitos. Portanto vale pensar que o campo da arte e tecnologia também abre espaço para exploração destas interfaces em trabalhos em gamearte, em realidade virtual, em telepresença, em performance, entre outras. REFERÊNCIAS ALECRIM, Emerson. Mouses: funcionamento, tipos e principais características, publicado em 21/04/08. 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