تصور کنید که صبح با صدای آزار دهنده زنگ ساعت از خواب بیدار شده‌ و بجای تقلا برای جستجوی دکمه قطع صدا، دست‌تان را در جهت ساعت در هوا تکان داده و زنگ آن قطع شود. شما به عبارتی یک دکمه نامرئی را در هوا فشار داده‌اید.

علوم مرتبط با حس لامسه را علوم حواس پوستی نامند. سریرام سوبرامانیان دکمه معلق زنگ ساعت را نمونه‌ای از نحوه مورد استفاده قرار دادن نوعی فناوری نو تحت عنوان «فرا لامسه (ultrahaptics)» توصیف می‌کند. این دانشمند علوم کامپیوتر از دانشگاه Sussex در انگلستان قبول دارد که: «این امر کمی غیر واقعی به نظر می‌رسد». او به سرعت می‌افزاید که «وجود چنین وسیله‌ای امکان پذیر است». اکنون محققان در آزمایشگاه خود اشیاء مجازی سه بعدی می‌سازند که می‌توان آنها را احساس کرد.

راز موفقیت آنها امواج صوتی است. تعداد روز افزونی از محققان در سراسر دنیا در حال بررسی نحوه کاربرد امواج صوتی جهت شبیه سازی حس لامسه هستند. این امواج صوتی، ماوراء صوت بوده بدان معنا که این اصوات به قدری زیر هستند که انسان قادر به شنیدن آنها نیست. در عین حال، به قدری قوی بوده که بر روی پوست انسان فشار آورده و حس لامسه را تحریک می‌سازند. دانشمندان می‌توانند محل و شکل یک جسم مجازی قابل لمس را با تنظیم امواج صوتی و متمرکز کردن آنها بر روی یک نقطه خاص تغییر دهند.

فناوری نادیدنی

دکمه معلق زنگ ساعت تنها نمونه‌ای از این فناوری به حساب می‌آید. تام کارتر فارغ‌التحصیل رشته مهندسی، به گروه سوبرامانیان پیوسته و شرکتی تحت عنوان اولتراهپتیکس  را راه اندازی نموده است. کارتر آینده‌ای را تصور می‌کند که در آن انسان با به حرکت در آوردن دست خود در هوا از وسایل الکترونیکی استفاده ‌نماید. او و سایر پژوهشگران معتقدند که کیبوردها و صفحات لمسی موجود در وسایل فعلی محدودیت‌زا هستند. آنها عنوان می‌کنند که چرا از هوای اطراف وسایل به عنوان راهی دیگر برای تعامل استفاده نکنیم؟
 در این بازی، توپ بوسیله امواج صوتی به حرکت درمی‌آید

تحقیقات صورت گرفته آنها بر یافتن راهی جدید جهت استفاده از وسایل الکترونیکی متمرکز بوده است. به کمک این فناوری رانندگان قادر خواهند بود در حالی که چشم به جاده دارند، تلفن یا رادیو را با چرخاندن انگشتان خود در هوا کنترل نمایند.

هیرویوکی شینودا مهندس دانشگاه توکیو در ژاپن چندین دهه است که در خصوص علوم حواس پوستی مطالعه می‌نماید. او در سال 2008 یکی از نخستین افرادی بود که از امواج صوتی جهت شناور ساختن اجسام مجازی در هوا استفاده کرد. از آن زمان به بعد او به دنبال راه‌هایی بوده است که از طریق آن اشیاء حقیقی و مجازی اثر متقابل بر هم بگذارند.
 

اصوات و جامدات

صدا از طریق هوا همچون موج حرکت می‌کندصدا از طریق هوا همچون موج حرکت می‌کند. اما این امواج مانند امواج آب نیستند که به بالا و پایین حرکت می‌کنند. یک موج صوتی نمونه‌ای از یک موج طولی است که از یک سری بهم فشردگی یعنی مکانهایی که هوا به یکدیگر فشرده می‌شوند، بوجود می‌آیند. به منظور درک نحوه حرکت یک موج طولی، فنری را بکشید. یک انتهای آن را ابتدا در جهت انتهای دیگر و سپس خلاف جهت آن کشیده و جمع کنید. گروه فشرده شده از حلقه‌های فنر به صورت مارپیچی به پایین حرکت خواهند کرد. ذرات هوا در یک موج صوتی مانند آن حلقه‌های فنر در کنار یکدیگر جمع می‌شوند.
 تصویر امواج صوتی که به شکل امواج طولی می‌باشند

کسانی که به یک کنسرت با صدای بالا رفته باشند می‌دانند که در آن محل، ارتباطی میان امواج صوتی و حس لامسه وجود دارد. یک نت با باس (بم‌ترین بخش بسامد صوتی) پایین نه تنها به گوش شنوندگان در کنسرت می‌رسد بلکه اندام آنها را نیز به ارتعاش درمی‌آورد. به گفته‌ی سوبرامانیان تجربه احساس چنین نت‌های پایینی در بررسی امواج صوتی الهام بخش من بوده است. بدن انسان صوت و لمس را به طرق مشابه تشخیص می‌دهد. سلولهای موجود بر روی پوست دارای پایانه‌های عصبی تحت عنوان گیرنده‌های مکانیکی هستند. آنها فشار وارده را تشخیص داده و سیگنالهایی را به مغز ارسال می‌کنند.گوش داخلی نیز دارای گیرنده‌های مکانیکی است.

بالا یا پایین بودن یک صوت، به تعداد امواج عبوری از یک نقطه در یک زمان معین بستگی دارد. این نوع محاسبه را فرکانس یا بسامد گویند. هرچه نرخ آن بیشتر باشد، فرکانس نیز بیشتر خواهد بود. امواج صوتی که نت‌های بالا می‌سازند، از فرکانس بالاتری نسبت به نت‌های پایین برخوردارند. یک فرد عادی می‌تواند اصواتی تا حدود 20000 هرتز یعنی 20000 ارتعاش در ثانیه را بشنود. (با افزایش سن حد بالا افت می‌کند. بنابراین کودکان و نوجوانان به طور کلی می‌توانند گام‌های بالاتری نسبت به افراد بزرگسال بشنوند). امواج مافوق صوت فرکانس‌هایی بالاتر از امواجی دارند که انسان قادر به شنیدن آنها است.

بسیاری از دستگاه‌ها از فرکانس‌های مافوق صوت استفاده می‌کنند. بعضی اتومبیل‌ها دارای نوعی حسگر پارک هستند که به منظور تشخیص موانع، امواج مافوق صوتی را ارسال و امواجی که مجدداً برمی‌گردند را دریافت می‌کنند. دستگاه‌های پزشکی مافوق صوت، امواج صوتی با گام بالا را فرستاده به این منظور که درون بدن را مورد کاوش قرار داده و مواردی همچون جنین در حال رشد را ببیند.
 

احساس بدون لمس

هنگامی که امواج صوتی به پوست برخورد می‌کنند، فشار ناشی از آنها گیرنده‌های مکانیکی را تحریک می‌سازند. پس از سالها تلاش و بررسی، پژوهشگران موفق به یافتن راهی جهت متمرکز ساختن امواج مافوق صوت شدند. دستگاه آنها از 320 مبدل یا ترانسدیوسر متصل به یک کامپیوتر استفاده می‌کرد. این سازمان به آنها اجازه داده آن امواج صوتی را به دقت همساز کرده و جسمی مجازی یا شبحی از جسم شناور در فضا را بسازد.

امواج مافوق صوت می‌توانند جهت بلند کردن، حرکت دادن و هدایت اجسام کوچک مورد استفاده قرار گیرندسوبرامانیان و تیمش نشان دادند که چگونه امواج مافوق صوت می‌توانند جهت بلند کردن، حرکت دادن و هدایت اجسام کوچک مورد استفاده قرار گیرند. آنها اختراع خود را «پرتو کششی» نامیدند. قرار بود که این پرتوها به منظور گرفتن اجسام، همانند سفینه‌های فضایی از انرژی استفاده کنند. در عوض پرتو کششی آکوستیک جدید آنها بیشتر شبیه به انبرکهای نامرئی عمل می‌کند. (یعنی با استفاده از انرژی صوتی این کار را انجام می‌دهد).

در توکیو شینودا و تیمش از سیستمی تحت عنوان هاپتوکلون پرده برداری کردند. این وسیله نیز از فناوری مشابهی جهت برقراری ارتباط استفاده می‌کند. این سیستم شبیه به دو جعبه بزرگ است. یکی از جعبه‌ها حاوی جسمی واقعی است و دیگری انعکاس آن جسم را نشان می‌دهد. به لطف یک سری آینه میان این دو جعبه، نسخه کپی جسم عیناً شبیه به نسخه اصلی به نظر رسیده و حرکت می‌کند.
 
 تصویری از دستگاه هاپتوکلون  

شینودا و تیمش همچنین یک مجموعه ترانسدیوسر فراصوتی نصب کردند که امکان برقراری ارتباط میان جسم حقیقی و کپی آن را بوسیله لمس می‌داد. به عنوان مثال چنانچه شخصی به جسم واقعی ضربه بزند (آن را هل دهد)، جسم واقعی و همینطور هم نسخه کپی آن حرکت می‌کنند. نکته جالب اینجاست که اگر شخصی به طرف جعبه رفته و نسخه کپی یا همان انعکاس جسم واقعی را به جلو راند، دستان او به واسطه امواج صوتی کاملاً شیء را احساس می‌کنند. و هنگامی که آن را لمس کند، کپی جسم همانند نسخه اصلی حرکت خواهد کرد. هر عملی که در یک طرف رخ دهد بلافاصله در سوی دیگر تکرار می‌شود.

به عنوان مثال تصور کنید که یک طرف حاوی یک توپ واقعی است. فرد می‌تواند به تصویر منعکس شده از توپ ضربه زده و در نتیجه توپ واقعی نیز از جعبه خود حرکت می‌کند. چنانچه دو نفر هرکدام انگشتان خود را درون جعبه فرو کنند، آنها احساس می‌کنند که حقیقتاً همدیگر را لمس کرده‌اند اگرچه این امواج صوتی بوده که چنین توهمی را ایجاد کرده است.
مترجم: رزیتا ملکی‌زاده

برگرفته از سایت sciencenewsforstudents