I'm a mechanical engineering professor at the University of Pennsylvania, and my favorite hobby is photography. And as I travel around the world, I love taking photographs like these, so I can remember all the beautiful and interesting things that I've seen. But what I can't do is record and share how these objects feel to touch. And that's kind of surprising, because your sense of touch is really important. It's involved in every physical interaction you do every day, every manipulation task, anything you do in the world. So the sense of touch is actually pretty interesting. It has two main components. The first is tactile sensations, things you feel in your skin. And the second is kinesthetic sensations. This has to do with the position of your body and how it's moving, and the forces you encounter. And you're really good at incorporating both of these types of sensations together to understand the physical interactions you have with the world and understand as you touch a surface: is it a rock, is it a cat, is it a bunny, what is it? And so, as an engineer, I'm really fascinated and I have a lot of respect for how good people are with their hands. And I'm intrigued and curious about whether we could make technology better by doing a better job at leveraging the human capability with the sense of touch. Could I improve the interfaces to computers and machines by letting you take advantage of your hands? And indeed, I think we can, and that's at the core of a field called haptics, and this is the area that I work in. It's all about interactive touch technology. And the way it works is, as you move your body through the world, if, as an engineer, I can make a system that can measure that motion, and then present to you sensations over time that kind of make sense, that match up with what you might feel in the real world, I can fool you into thinking you're touching something even though there's nothing there. So here are three examples and these are all done from research in my lab at Penn. The first one is all about that same problem that I was showing you: how can we capture how objects feel and recreate those experiences? So the way we solve this problem is by creating a hand-held tool that has many different sensors inside. It has a force sensor, so we can tell how hard you're pushing; it has motion tracking, so we can tell exactly where you've moved it; and it has a vibration sensor, an accelerometer, inside, that detects the shaking back and forth of the tool that lets you know that's a piece of canvas and not a piece of silk or something else. Then we take the data we record from these interactions. Here's ten seconds of data. You can see how the vibrations get larger and smaller, depending on how you move. And we make a mathematical model of those relationships and program them into a tablet computer so that when you take the stylus and go and touch the screen, that voice-coil actuator in the white bracket plays vibrations to give you the illusion that you're touching the real surface, just like if you touched, dragged back and forth, on the real canvas. We can create very compelling illusions. We can do this for all kinds of surfaces and it's really a lot of fun. We call it haptography -- haptic photography. And I think it has potential benefits in all sorts of areas like online shopping, maybe interactive museum exhibits, where you're not supposed to touch the precious artifacts, but you always want to. The second example I want to tell you about comes from a collaboration I have with Dr. Margrit Maggio at the Penn Dental School. Part of her job is to teach dental students how to tell where in a patient's mouth there are cavities. Of course they look at X-rays, but a large part of this clinical judgment comes from what they feel when they touch your teeth with a dental explorer. You've all had this happen, they go across. What they're feeling for is if the tooth is really hard, then it's healthy, but if it's kind of soft and sticky, that's a signal that the enamel is starting to decay. These types of judgments are hard for a new dental student to make, because they haven't touched a lot of teeth yet. And you want them to learn this before they start practicing on real human patients. So what we do is add an accelerometer on to the dental explorer, and then we record what Dr. Maggio feels as she touches different extracted teeth. And we can play it back for you as a video with a touch track -- not just a sound track, but also a touch track, that you can feel by holding that repeating tool. You feel the same things the dentist felt when they did the recording, and practice making judgments. So here's a sample one. Here's a tooth that looks kind of suspicious, right? It has all those brown stains. You might be thinking, "We should definitely put a filling in this tooth." But if you pay attention to how it feels, all the surfaces of this tooth are hard and healthy, so this patient does not need a filling. And these are exactly the kind of judgments doctors make every day and I think this technology we've invented has a lot of potential for many different things in medical training, because it's really simple and it does a great job at recreating what people feel through tools. I think it could also help make games more interactive and fun and more realistic in the sensations that you feel. The last example I want to tell you about is again about human movement. So if any of you have ever learned sports, how do you get good at something like surfing? You practice. You practice some more and more, right? Making small corrections, maybe getting some input from a coach, learning how to improve your motions. I think we could use computers to help make that process more efficient and more fun. And so here, for example, if I have six different arm movements that I want you to learn, you come into my lab at Penn and try out our system. We use a Kinect to measure your motions, we show graphics on the screen, and then we also give you touch cues, haptic feedback on your arm, delivered by these haptic arm bands which have motors inside, and guide you as you move. So, if we put it together, as you're trying to track this motion, if you deviate -- say, maybe, your arm is a little too high -- we turn on the motors right there on the skin to let you know you should move down, almost like a coach gently guiding you and helping you master these movements more quickly and make more precise corrections. We developed this system for use in stroke rehabilitation, but I think there are a lot of applications, like maybe dance training or all sorts of sports training as well. So now you know a little bit about the field of haptics, which I think you'll hear more about in the coming years. I've shown you three examples. I just want to take a moment to acknowledge the great students who work with me in my lab at Penn and my collaborators. They're a great group. I also want to thank you for your kind attention. (Applause)
Я профессор машиностроения в Пенсильванском университете, моё любимое хобби — фотография. Во время своих путешествий по миру я люблю делать подобные снимки — они позволяют мне помнить все красивые и интересные вещи, которые я видела. Но, к сожалению, я не могу сохранить и поделиться ощущениями от прикосновения к этим объектам, и это очень странно, ведь наше осязание очень важно. Оно участвует во всех повседневных задачах и во всех взаимодействиях с внешним миром. Осязание — довольно интересная вещь, оно состоит из двух компонентов. Первый — это тактильные ощущения, то, что вы чувствуете кожей; второй — кинестетические, они связаны с положением и движением вашего тела, а также мышечными усилиями. Человек очень хорошо объединяет эти два отдельных типа ощущений, чтобы оценивать взаимодействие с внешним миром и определять объект по касанию: камень, кот, кролик — узнать, к чему ты прикоснулся. Как инженер, я просто восхищена способностью человека получать столько информации через свои руки. Это привлекло моё внимание, и мне интересно, можно ли сделать технологии более удобными, если в них будет использоваться весь потенциал нашего осязания. Можно ли улучшить интерфейс компьютеров и машин, если учитывать все возможности рук? На самом деле это возможно, и эти идеи — ядро области под названием хаптика, в которой я работаю. Её цель — интерактивная осязательная технология. И вот как это работает. Я могу создать оборудование, которое будет измерять ваши движения и затем с течением времени воспроизводить у вас ощущения от движения, которые покажутся естественными, как при реальном движении. Я могу заставить вас думать, что вы касаетесь чего-то там, где просто гладкая поверхность. Вот три примера из моих исследований в университетской лаборатории. В первом я расскажу о проблеме, о которой уже упоминала: как сохранить информацию о фактуре объекта и потом воссоздать её? Мы решили эту проблему, создав портативное устройство с большим количеством датчиков: в нём есть датчик давления, он может рассказать о приложенной силе; датчик отслеживания движения записывает траекторию движений; датчик вибрации и акселерометр фиксируют небольшие колебания, и по ним понятно, что это кусок холста, а не шёлка или чего-то другого. Затем мы интерпретируем всю собранную нами информацию. Вот запись за десять секунд. Можно увидеть, как вибрация увеличивается и уменьшается в зависимости от движений. Затем создаём математическую модель этих отношений и загружаем в планшетный компьютер, а когда вы берёте стилус и проводите им по экрану, магнитная катушка, закреплённая на стилусе, воспроизводит вибрации и создаёт иллюзию того, что вы касаетесь реальной поверхности, будто водите туда и обратно по настоящему холсту. Мы можем создать иллюзии для большого количества поверхностей, и это довольно интересно и занимательно. Мы назвали это хаптографией, или хаптической фотографией. Этому можно найти применение в различных сферах: интернет-магазины, интерактивные музеи и выставки, где нельзя дотрагиваться до ценных экспонатов, но всегда очень хочется. В качестве второго примера я приведу совместную работу с доктором Маргрит Маджио с факультета стоматологии нашего университета. Часть её работы — научить студентов выявлять зубы, поражённые кариесом. Естественно, они делают рентген, но большу́ю роль в постановке диагноза играет то, что врачи чувствуют при осмотре зубоврачебным зондом. Вы все проходили через подобную процедуру. Если зуб оказывается твёрдым — значит он здоров, если же он чуть мягкий и вязкий — значит, эмаль уже начала разрушаться. Делать подобного рода выводы для студента-новичка сложно, так как у него нет достаточного опыта. Но они должны научиться это делать до начала своей практики на пациентах. В общем, мы закрепили акселерометр на стоматологическом зонде и записали ощущения доктора Маджио при обследовании различных зубов. Мы можем затем воспроизвести вам это видео с «осязательной» дорожкой, не просто звук, но и ощущения, которые передаются на дублирующий зонд. Вы чувствуете то же, что и дантист во время записи видео, и таким образом можете практиковаться. Вот запись. Видите этот зуб, выглядит подозрительно, верно? На нём столько коричневых пятен. Наверняка думаете: «Конечно, надо ставить пломбу». Но на самом деле, при осмотре зондом, он оказался твёрдым и здоровым, и значит пациенту пломба не нужна. Именно так доктора и принимают решения, мне кажется, эта технология имеет большой потенциал в подготовке медперсонала, потому что она проста и воссоздаёт то, что чувствует доктор при работе с медицинскими инструментами. Она также может сделать компьютерные игры более интерактивными и более реалистичными в плане ощущений от игры. В последнем примере я расскажу вам о движениях человека. Кто занимался спортом, тот знает, хочешь преуспеть, например, в сёрфинге, нужно тренироваться. Постоянные тренировки, верно? Потихоньку учитесь, возможно, с помощью тренера, совершенствуете свою технику. А можно использовать компьютер, чтобы сделать этот процесс эффективнее и интереснее. Допустим, есть шесть различных движений рукой, которые надо отработать. Вы можете прийти в мою лабораторию и опробовать нашу систему. Мы используем Кинект для захвата движений, затем выводим их на экран и даём вам подсказки при движении с помощью манжет с моторчиками внутри. Они корректируют ваши движения. В общем, если при повторении движения вы отклонились: подняли руку чуть выше, эти моторчики включаются и дают вам сигнал опустить руку, эта система, почти как тренер, помогает вам достичь мастерства в движениях быстрее и делает более точные корректировки. Мы разработали эту систему для реабилитации пациентов после инсультов, но у неё большой потенциал — её можно применять для обучения танцам или различным видам спорта. Итак, сегодня вы узнали немного о хаптике, и, наверняка, услышите о ней ещё. Я привела вам три примера. Напоследок хочу поблагодарить студентов, которые работали со мной, а также своих коллег. Они отличная команда. И большое спасибо вам за ваше внимание. (Аплодисменты)