Imaginez-vous tenir la main d'un être cher à l'autre bout du monde. Ou sentir une tape dans le dos d'un coéquipier dans le jeu en ligne "Fortnite".

Des chercheurs de la Northwestern University ont mis au point un nouveau système sans fil qui ajoute un sens du toucher à toute expérience de réalité virtuelle (VR). Non seulement cette plate-forme ajoute potentiellement de nouvelles dimensions à nos relations à distance et à nos divertissements, la technologie fournit également aux prothèses un retour sensoriel et confère à la télémédecine une touche humaine.

Appelé système « VR épidermique », l'appareil communique tactile par un rapide, réseau programmable d'actionneurs vibrants miniatures intégrés dans un mince, mou, tendre, matériau souple. Les prototypes en forme de feuille de 15 centimètres sur 15 centimètres se stratifient confortablement sur les surfaces incurvées de la peau sans piles encombrantes ni fils encombrants.

"Les gens ont envisagé ce concept global dans le passé, mais sans base claire pour une technologie réaliste avec le bon ensemble de caractéristiques ou la bonne forme d'évolutivité. Les conceptions antérieures impliquent des assemblages manuels d'actionneurs, fils, batteries et matériel de contrôle interne et externe combiné, " a déclaré John A. Rogers de Northwestern, un pionnier de la bioélectronique. « Nous avons tiré parti de nos connaissances en matière d'électronique extensible et de transfert d'énergie sans fil pour constituer une collection supérieure de composants, y compris les actionneurs miniaturisés, dans une architecture avancée conçue comme un appareil portable interfacé avec la peau, sans presque aucune charge pour l'utilisateur. Nous pensons que c'est un bon point de départ qui s'adaptera naturellement aux systèmes corporels complets et à des centaines ou des milliers de systèmes discrets, actionneurs programmables."

"Nous repoussons les limites et les capacités de la réalité virtuelle et augmentée, " a déclaré Yonggang Huang de Northwestern, qui a codirigé la recherche avec Rogers. « Par rapport aux yeux et aux oreilles, la peau est une interface sensorielle relativement sous-explorée qui pourrait considérablement améliorer les expériences."

La recherche sera publiée le 21 novembre dans la revue La nature .

Rogers est le professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de science des matériaux et de génie biomédical à la McCormick School of Engineering de Northwestern, professeur de chirurgie neurologique à la Feinberg School of Medicine et directeur du Center for Bio-integrated Electronics.

Huang est professeur Walter P. Murphy de génie civil et environnemental et professeur de génie mécanique à McCormick.

Xinge Yu, un ancien boursier postdoctoral dans le laboratoire de Rogers et actuel professeur assistant à la City University of Hong Kong, était le premier auteur de l'article.

Comment ça fonctionne

L'appareil le plus sophistiqué de Rogers et Huang intègre un réseau distribué de 32 appareils programmables individuellement, actionneurs millimétriques, dont chacun génère un sens du toucher discret à un endroit correspondant sur la peau. Chaque actionneur résonne le plus fortement à 200 cycles par seconde, où la peau présente une sensibilité maximale.

« Nous pouvons ajuster la fréquence et l'amplitude de chaque actionneur rapidement et à la volée grâce à notre interface utilisateur graphique, " a déclaré Rogers. " Nous avons adapté les conceptions pour maximiser la perception sensorielle de la force vibratoire délivrée à la peau. "

Le patch se connecte sans fil à une interface tactile (sur un smartphone ou une tablette). Lorsqu'un utilisateur touche l'écran tactile, ce motif de toucher est transmis au patch. Si l'utilisateur dessine un motif « X » sur l'écran tactile, par exemple, les appareils produisent un schéma sensoriel, simultanément et en temps réel, en forme de "X" à travers l'interface vibratoire avec la peau.

Lorsque vous discutez en vidéo à partir de différents endroits, les amis et les membres de la famille peuvent se tendre la main et se toucher virtuellement, avec un délai négligeable et avec des pressions et des modèles qui peuvent être contrôlés via l'interface à écran tactile.

"Vous pouvez imaginer que sentir le toucher virtuel lors d'un appel vidéo avec votre famille peut devenir omniprésent dans un avenir prévisible, " dit Huang.

Les actionneurs sont intégrés dans un polymère de silicone intrinsèquement doux et légèrement collant qui adhère à la peau sans ruban ni sangle. Sans fil et sans batterie, l'appareil communique via des protocoles de communication en champ proche (NFC), la même technologie utilisée dans les téléphones intelligents pour les paiements électroniques.

"Avec ce système de distribution d'énergie sans fil, nous évitons complètement le besoin de piles, avec leur poids, Taille, durées de fonctionnement en vrac et limitées, " a déclaré Rogers. " Le résultat est un mince, système léger qui peut être porté et utilisé sans contrainte, indéfiniment."

Un vétéran décrit l'importance de la rétroaction sensorielle

Tout le monde peut imaginer comment ce type de technologie pourrait être combiné avec un casque VR pour créer des expériences de jeu ou de divertissement plus interactives et immersives. Mais pour le vétéran de l'armée américaine Garrett Anderson, La réalité virtuelle épidermique pourrait fournir une solution indispensable à un problème réel.

À 4 heures du matin le 15 octobre, 2005, Anderson a été pris en embuscade lors de son déploiement dans la guerre en Irak et a perdu son bras droit juste en dessous du coude.

"Une bombe a explosé sous mon camion, " a déclaré Anderson. " Il a fait exploser tout le moteur du véhicule. Puis des éclats d'obus ont traversé le véhicule et m'ont coupé le bras, qui s'accrochait par des tendons."

Anderson a récemment essayé le système de Northwestern, intégré à son bras prothétique. Lorsqu'il porte le patch sur le haut de son bras, Anderson pouvait sentir les sensations de ses doigts prothétiques transmises à son bras. Les vibrations ressenties plus ou moins intenses, en fonction de la fermeté de sa prise.

"Dites que j'attrape un œuf ou quelque chose de fragile, " dit Anderson, qui est maintenant le coordonnateur de la sensibilisation au Centre Chez les anciens combattants de l'Université de l'Illinois. "Si je ne peux pas ajuster ma prise, alors je pourrais écraser l'œuf. J'ai besoin de connaître la quantité d'adhérence que j'applique, pour ne pas blesser quelque chose ou quelqu'un."

"Je ne les ai jamais sentis avec mon bras droit"

Comme les personnes qui ont subi des amputations utilisent l'appareil, l'expérience pourrait devenir plus fluide.

« Les utilisateurs développent une capacité à sentir le toucher au bout des doigts de leurs prothèses grâce aux entrées sensorielles sur le haut du bras, " expliqua Rogers. " Les heures supplémentaires, votre cerveau peut convertir la sensation sur votre bras en une sensation de substitution au bout de vos doigts. Il ajoute un canal sensoriel pour reproduire le sens du toucher."

Anderson pense que cet appareil pourrait potentiellement "tromper" son cerveau d'une manière qui soulage la douleur fantôme. Il imagine aussi que cela pourrait lui permettre d'interagir avec ses enfants d'une nouvelle manière.

"J'ai perdu mon bras il y a 15 ans, " a-t-il dit. " Mes enfants ont 13 et 10 ans, donc je ne les ai jamais sentis avec mon bras droit. Je ne sais pas ce que c'est quand ils attrapent ma main droite."

« Un point de départ »

Rogers considère l'appareil actuel comme un point de départ. "C'est notre première tentative d'un système de ce type, " a-t-il dit. " Cela pourrait être très puissant pour les interactions sociales, médecine clinique et applications que nous ne pouvons concevoir aujourd'hui, au-delà des opportunités évidentes dans le jeu et le divertissement."

Lui et Huang travaillent déjà à rendre l'appareil actuel plus mince et plus léger. Ils prévoient également d'exploiter différents types d'actionneurs, y compris ceux qui peuvent produire des sensations d'échauffement et d'étirement. Avec des apports thermiques, par exemple, une personne pourrait être capable de sentir à quel point une tasse de café est chaude grâce à des doigts prothétiques.

L'équipe de Northwestern pense que le cadre d'ingénierie global peut accueillir des centaines d'actionneurs avec des dimensions nettement inférieures à celles utilisées actuellement, qui ont des diamètres de 18 millimètres et des épaisseurs de 2,5 millimètres.

Finalement, les dispositifs pourraient être suffisamment minces et flexibles pour être tissés dans des vêtements. Les personnes portant des prothèses pourraient porter des chemises VR qui communiquent le toucher du bout des doigts. Et avec les casques VR, les joueurs pourraient porter des combinaisons VR complètes pour s'immerger complètement dans des paysages fantastiques.

« La réalité virtuelle est un domaine technologique émergent très important, " a dit Rogers. " Actuellement, nous utilisons simplement nos yeux et nos oreilles comme base pour ces expériences. La communauté a été relativement lente à exploiter le plus grand organe du corps :la peau. Notre sens du toucher offre le plus profond, le plus profond, lien émotionnel entre les gens.