Entwicklung taktiler Displays zur GUI-Ergänzung

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Fallstudienarbeit
Hochschule:	Hochschule für Oekonomie & Management
Standort:	Duisburg
Studiengang:	Bachelor Wirtschaftsinformatik
Veranstaltung:	Fallstudie / Wissenschaftliches Arbeiten
Betreuer:	Dipl-Inf._(FH)_Christian_Schäfer
Typ:	Fallstudienarbeit
Themengebiet:	GUI
Autor(en):	Kerstin Biesemann, Yvonne Esche
Studienzeitmodell:	Abendstudium
Semesterbezeichnung:	SS11
Studiensemester:	2
Bearbeitungsstatus:	Bearbeitung abgeschlossen
Prüfungstermin:
Abgabetermin:

Inhaltsverzeichnis 1 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Benutzerschnittstellen in interaktiven Systemen 2.2 Merkmale von graphischen Benutzeroberflächen 2.3 Menschliche Informationsverarbeitung 2.4 Bedeutung der taktilen Wahrnehmung 2.5 Elemente und Funktion der taktilen Wahrnehmung 2.6 Funktion der haptischen Wahrnehmung 3 Hardwaretechnische Entwicklung 3.1 Möglichkeiten zum Anregen des taktilen Empfindens 3.2 Veränderungen der Textur 3.2.1 Allgemeine Ansätze 3.2.2 Aktoren mit Memory-Metallen 3.2.3 Magnetische Aktoren 3.2.4 Zusammenfassung Aktoren 3.3 Probleme bei der Hardwareentwicklung 3.3.1 Schnittstellenauswahl 3.3.2 Variation des Feedbacks 3.3.3 Grenzen der Darstellung 3.4 Beispiel einer Integration 4 Integration von taktiler Rückmeldung in die GUI 5 Forschung und Studien 5.1 Forschung 5.2 Studien 5.3 Zusammenfassung Studien 6 aktuelle Entwicklungen 6.1 Erste kommerzielle Ansätze 6.2 Taktile Effekte von Immersion 6.3 Elektroaktive Polymere von Bayer 6.4 Ausblick auf weitere Anwendungsbereiche 7 Fazit 8 Fußnoten 9 Abkürzungsverzeichnis 10 Abbildungsverzeichnis 11 Literatur- und Quellenverzeichnis

1 Zielsetzung

In allen Bereichen des Lebens findet man heute elektronische Geräte, die mit einem Bildschirm (Display) ausgestattet sind. Neben der klassischen Anzeige von Informationen kann das Display bei berührungsempfindlichen Oberflächen auch zur Bedienung des Gerätes dienen. Sie finden heute bereits Anwendung bei der Bedienung von Maschinen, Druckern, Kopierern, Geldautomaten sowie in Handys, Kameras, Navigationssystemen, Spielkonsolen und vielem mehr. Allerdings fehlt oftmals eine Rückmeldung auf die Aktion des Benutzers.

Das intuitive Bedienen durch Erfühlen von Elementen sowie die Rückmeldung des Systems über Hautreize ist noch in der Entwicklung. Ziel der Fallstudie ist die Ausarbeitung von Funktion, Anwendung und Nutzen taktiler Displays, die Berührungsempfinden als Steuerelement verwenden.

2 Grundlagen

2.1 Benutzerschnittstellen in interaktiven Systemen

Als interaktive Systeme werden technische Systeme bezeichnet, die in Wechselwirkung mit dem Benutzer Informationen austauschen. Dieser Dialog zwischen Aktionen des Benutzers und der Rückmeldung des Systems wird als Interaktion oder Kommunikation zwischen Mensch und System bezeichnet. Der Austausch von Informationen ist nicht auf eine einmalige Aktion beschränkt, sondern erfolgt als Interaktionsprozess bis zur Lösung der Aufgabe. Die Interaktion erfolgt nicht, wie im zwischenmenschlichem Bereich, über Sprache, sondern durch Eingabe von maschinenverarbeitbaren Befehlen durch den Benutzer. Die Interaktion findet in einem geschlossenem Kreislauf (closed-loop system) statt. Auf die Eingabe des Benutzers erfolgt eine Reaktion des Systems. Die Reaktion wird als Rückmeldung oder Feedback bezeichnet.

Die Schnittstellen zum Informations-/Datenaustausch werden als Benutzerschnittstellen bezeichnet. Sie unterteilen sich in Hardware- und Softwarekomponenten. Im Hardwarebereich zählen Tastatur und Maus zu den klassischen Eingabe- und Steuergeräten, Bildschirm und Drucker dienen zur Ausgabe von Informationen und Daten. Die Benutzeroberfläche ist der Teil der Softwarelösung (Betriebs- oder Anwendungssystem). Sie interpretiert die Eingabe von Befehlen über die Tastatur als Kommandozeile oder die Auswahl eines Steuerelementes in einer menübasierenden oder graphischen Oberfläche.

2.2 Merkmale von graphischen Benutzeroberflächen

Graphische Benutzeroberfläche ("Graphical User Interface" oder GUI) ermöglichen dem Benutzer die Interaktion mit dem Computer über Symbole. Die Veränderung des Benutzers vom Spezialisten der früheren Jahre hin zu unerfahrenen Anwender, die rasante Verbreitung von Computersystemen in allen Lebensbereichen und die schnelle Erlernbarkeit durch intuitive Bedienung erforderten Benutzerschnittstellen, die diesen Ansprüchen gerecht werden.

Die graphischen Elemente, Steuerelemente oder auch Widgets, können unter Verwendung des Zeigegerätes Maus bedient oder ausgewählt werden. Die Eingabe der Daten erfolgt in der Regel über die Tastatur. Die Grundelemente der GUI sind Fenster, Symbole, Menüs und Zeiger. Die Symbole geben einen direkten Bezug zum realen Abbild, wie beispielsweise die Darstellung von Verzeichnissen (Ordnern) als Aktenordner oder die Vernichtung von Dateien in einem Papierkorb. Funktionen wie das Verschieben von Dateien und Verzeichnissen ist dem Umordnen von Aktenordner in Aktenschränken nachgebildet.

Die graphische Benutzeroberfläche stellt somit geringere Anforderungen an die Bedienkenntnisse des Benutzers, sowie an das Lern- und Erinnerungsvermögen. Anders als bei kommandozeilenbasierter Bedienung des Systems sind Kenntnisse über das unterlegte Betriebssystem nicht mehr erforderlich. Dies erleichtert die intuitive Bedienung des Systems. Graphische Benutzeroberflächen sind Standard heutiger Betriebssysteme und finden Verwendung in PC (Personal Computer), mobilen Geräten und als Bedienkonsolen.

2.3 Menschliche Informationsverarbeitung

Der Mensch verfügt über die fünf Sinne Sehen, Hören, Schmecken, Riechen und Fühlen um Informationen der Außenwelt wahrzunehmen. Die Reize werden über Sensoren wahrgenommen und als elektrische Impulse an das Gehirn weitergeleitet. Der Reiz wird in ein komplexes Wahrnehmungsschema eingeordnet und interpretiert. Das Erkennung und Interpretieren eines Reizes wird dabei durch Erfahrung und Vorwissen beeinflusst. Das Erkennen einer glühenden Oberfläche wird mit der Erfahrung heiß und schmerzhaft in Zusammenhang gebracht. Das Hören eines lauten Geräusches mit Gefahr. Ein erfahrener Computernutzer weiß, dass das Betätigen einer Schaltfläche eine Aktion auslöst.

Bei der Entwicklung von Benutzeroberflächen spielt die Informationsverarbeitung eine Rolle. Oberflächen sollen intuitiv bedient werden können, Erkennung und Erfahrung sind wesentliche Elemente. Anwendungen werden in Fenstern ausgeführt, diese haben Schaltflächen zum Beenden, Verkleinern oder "Wegschalten". Symbole stellen Abbildungen der Wirklichkeit dar, so ist die Auswahl eines Laufwerkes mit einem Aktenordner gleichgesetzt. Der Mensch als Benutzer stellt Verbindungen aus seiner Erfahrungswelt her. Die Oberfläche eines Systems ist nicht abstrakt, sondern erkennbar.

Die Bedienung eines Computersystems über graphische Benutzeroberflächen erfolgt durch die visuelle Wahrnehmung. Die Bedienung einer GUI ohne das Sinnesorgan Auge ist somit nur schwer möglich. Die ihr eigenen Elemente wie Fenster und Schaltflächen können nicht gehört oder erfühlt werden. Zwar gibt es zur Unterstützung sehbehinderter Menschen eine Sprachunterlegung, die Bedienung einer GUI ohne die visuelle Wahrnehmung ist damit jedoch nur bis zu einer gewissen Komplexität möglich. Zusätzlich zur sprachlichen Unterstützung können Empfindungen (taktile Wahrnehmung) oder Geruch oder Geschmack implementiert werden. Die Einbindung von Empfindungen kann über die Berührung von Oberflächen realisiert werden. Die Integration des Geschmack- und Geruchssinns in der Form von Schmecken und Riechen ist in einer Oberfläche allerdings nur schwer umsetzbar.

2.4 Bedeutung der taktilen Wahrnehmung

Die visuelle und auditive Form der Mensch-Computer-Interaktion spricht die Gefühlsebene des Menschen nur wenig an. Dabei ist Fühlen als Sinn bedeutend. Berührung ist die erste Sprache in der menschlichen Entwicklung. Innerhalb der Sprachentwicklung ist dieser Wahrnehmungsbereich wichtig für das "Begreifen" von Objekten und die damit verbundene Begriffsbildung. So sind zum Beispiel bestimmte Eigenschaften wie "rau", "kratzig", "weich" oder "heiß", etc. eng mit dem Gefühl des Berührens verbunden.

Neben der Funktion als Erkundungsorgan der gegenständlichen Welt kommt der Haut eine weitere, wichtige Bedeutung zu. Diese liegt im sozialen Aspekt der Berührung. So ist die Haut ein wichtiges Kommunikationsorgan. Sie dient als erstes Medium sozialen Austausches und regelt die Beziehung von Körpergeschehen und Umwelt^[1].

2.5 Elemente und Funktion der taktilen Wahrnehmung

Die Berührungen der Haut werden durch sensorische Elemente, die als Rezeptoren oder Tastkörperchen bezeichnet werden, in elektrische Impulse umgewandelt. Reizempfindungen wie Druck, Temperatur, Berührung oder Schmerz werden durch unterschiedliche Rezeptoren wahrgenommen. Die Kenntnis dieser Rezeptoren ist für Entwicklung von Hardwarelösungen zur Erzeugung von taktilen Reizen von Bedeutung.

Taktile Rezeptoren befinden sich in den äußeren Bereichen der Haut (zum Beispiel in den Fingerspitzen). Sie werden nach "Medizin Info"^[2] medizinisch in vier verschiedenen Typen unterteilt:

Meissner-Tastkörperchen

Mit dem Meissner-Tastkörperchen (Meissner-corpuscle) kann die Oberfläche und die Ausdehnung von Gegenständen wahrgenommen werden. Sie haben eine besondere Bedeutung bei der Wahrnehmung von sehr kleinen Gegenständen. Sie nehmen dabei besonders stark Druckveränderungen in der Haut auf, reagieren aber kaum auf gleich bleibenden Druck.

Merkel-Zellen

Merkel-Zellen (Merkel-cells) sind einfach Tast-Rezeptoren. Sie befinden sich in großer Anzahl in der Oberhaut und reagieren auf einfachen und gleich bleibenden Druck.

Ruffini-Tastkörperchen

Ruffini-Tastkörperchen (Ruffini-corpuscle) befinden sich im tieferen Bereich der Handfläche. Sie reagieren auf Formveränderungen der Haut und reagieren besonders auf Druck. Dabei nehmen sie schnelle Reize stärker auf als eine langsame Drucksteigerung.

Vater-Pacini-Tastkörperchen

Vater-Pacini-Tastkörperchen (Pacini-corpuscle) befinden sich in der Unterhaut und regieren besonders auf Vibrationen. Sie gewöhnen sich sehr schnell an Reize und werden bei andauernder Reizung unempfindlich.

Zudem befinden sich überall im Körper Temperatur- oder Thermorezeptoren, so genannte Noci-Rezeptoren. Sie haben die Aufgabe, das Zentrale Nervensystem ständig über die Temperaturverhältnisse des Körpers zu informieren. Die Wahrnehmung erfolgt in einem Bereich von etwa 10 bis 45 Grad Celsius. Davon abweichende Temperaturen werden vorwiegend als Schmerzreiz wahrgenommen.

Bei der taktilen Wahrnehmung handelt es sich um das passive Wahrnehmen von Reizen durch Berührung, Vibration oder Druck sowie die Wirkung von Temperatur (Wärme-, Kälteempfinden) auf die Haut. Taktilität ist nicht an Kräfte oder Bewegungen gebunden.

2.6 Funktion der haptischen Wahrnehmung

Haptische und taktile Wahrnehmung unterscheiden sich durch die Ausführung von Bewegung. Haptische Wahrnehmung ist die Kombination aus taktiler und kinästhetischer Wahrnehmung. Die kinästhetische Wahrnehmung dient der Erkennung von Körperlage- und Haltung. Sensorische Elemente in Gelenken, Muskeln und Sehnen ermöglichen Stellung und Bewegung der Gliedmaßen sowie die in den Muskeln aufgebrachten Kräfte zur Bewegung des Körpers wahrzunehmen.

Haptische Wahrnehmung erfolgt durch das Zusammenwirken von Tast- und Bewegungsempfindung. Im Gehirn ist der Bereich mit dem willkürliche Bewegungen gesteuert werden (Motorkortex) aktiv und steht damit im Gegensatz zur Wahrnehmung passiver Reizeinwirkungen. Durch Bewegung über Oberflächen kann deren Beschaffenheit erfühlt werden sowie Größen, Konturen und Gewichte bestimmt werden.

Da man die Textur eines taktilen Displays erst vollständig erfassen kann, wenn man die Finger über die Oberfläche bewegt oder zur Bedienung des Gerätes die Finger oder Hand bewegt werden müssen, wird in Zusammenhang von Displays mit taktilem Feedback auch von haptischen Displays gesprochen.

3 Hardwaretechnische Entwicklung

3.1 Möglichkeiten zum Anregen des taktilen Empfindens

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Rezeptoren der Haut zur Erzeugung eines taktilen Effektes anzusprechen:

Elektroden

Der elektrische Ansatz versucht, die Rezeptoren für das Tastempfinden über elektrische Signale direkt zu stimulieren. Dies wird mit Elektroden erreicht, welche die entsprechenden elektrischen Ladungen in die Finger leitet. Nach EHD (Engineering Haptic Devices) funktioniert dieser Ansatz, ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden. Zum einen werden auch die Noci-Rezeptoren stimuliert, die für das Schmerzempfinden zuständig sind. Dadurch kann das simulierte Tastempfinden schmerzhaft sein. Des weiteren herrscht nicht immer die gleiche Spannung zwischen Haut und Display, was zum Beispiel von der Hautdicke oder der Reaktion von Schweiß und Elektroden beeinflusst wird. Aus den genannten Gründen wird an diesem Verfahren weiterhin geforscht.

Veränderung Textur der Oberfläche

Die Veränderung der Oberfläche ist eine weitere Methode, um ein taktiles Feedback zu geben. Dies wird meist durch die Höhenänderung von Pins (beweglichen Stifte) erreicht, wie zum Beispiel bei Braillegeräten, welche Texte in Blindenschrift (Braille) darstellen können.

Quelle: Engineering Haptic Devices , S. 267
Abbildung 4: bewegliche Stifte zur Veränderung der Oberflächentextur

Diese Pins können pneumatisch, hydraulisch oder elektronisch herauf oder herab gefahren werden. Dadurch wird - je nach aktuellem Stand der Pin - eine andere Oberflächentextur dargestellt. Wird die Oberfläche unter Druck gesetzt, kann über Sensoren in den Pin die benötigte Kraft gemessen werden (Beispiel: Betätigen einer Schaltfläche, die durch Pin angehoben wurde). Diese Methode erzielt auf einfache und mechanische Weise ein reproduzierbares Ergebnis. Der Nachteil ist, dass mechanische Teile verschleißen und somit - je nach Fertigung - eine geringere Lebensdauer aufweisen können als elektronische Bauteile. Ebenso braucht die Mechanik Platz, was vor allen Dingen bei kleinen Geräten wie zum Beispiel Smartphones zu einer Herausforderung werden kann. Zusätzlich ist die Genauigkeit des Displays von der "Auflösung" der Pin-Matrix abhängig.

Nutzung von Ultraschall

Die Nutzung von Ultraschall nutzt den Luftdruck als Kraftübermittler. Über eine Quelle wird ein entsprechender Ultraschall erzeugt, welcher zwar nur schwach wahrgenommen wird, im Gegensatz zu anderen Techniken aber ganz ohne direkten Kontakt auskommt. Die entsprechende Erkennung einer Eingabe erfolgt über haptische Sensoren, die den ausgeübten Druck auf die Oberfläche bzw. die Bewegung messen.

Da sich die Übermittlung des Tastsinns über elektrische Ladungen noch in der Entwicklung befindet und sich die Anwendung von Ultraschall auf spezielle Gebiete erstreckt, wird die Funktionsweise der Texturmodifikation taktiler Displays im Folgenden genauer betrachtet.

3.2 Veränderungen der Textur

3.2.1 Allgemeine Ansätze

Eine taktile Wirkung, die die sensorischen Elemente der Haut erkennen können, kann über die Änderung der Oberflächentextur erzeugt werden.

Die Veränderung der Oberfläche kann erreicht werden, indem mechanische Teile unterhalb des Displays angehoben oder gesenkt werden können. Dies kann man unter anderem mit Pins unterhalb der Oberfläche, Memory-Metallen^[3] oder Lorentzkraft^[4] geschehen.

Die Veränderung der Oberfläche erfolgt mit sogenannten Aktoren, auch Wandler genannt, welche die elektronischen Signale der Steuerungseinheit in Kraft umwandeln. Wenn es für die Darstellung von Daten erforderlich ist, gibt die Elektronik einen Befehl für die Darstellung aus, welcher dem Aktor mitteilt, wie er beispielsweise einen Pin zu positionieren hat. Somit sind diese Bauteile für die Darstellung der taktilen Wirkung auf dem Display zuständig.

Je nach Methode der Darstellung werden unterschiedliche Aktoren in den Displays verbaut. Eins der wichtigsten Merkmale von Aktoren, ist die Größe. Zum einen kann man in einem Smartphone keine großen Bauteile verwenden, da es ansonsten eher ein tragbares Display ist. Zum anderen geht der Trend zu immer flacheren Displays. Die Größe der notwendigen Bauteile sollte nicht dazu führen, dass Displays in Röhrenbildschirmtiefe entstehen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft, die man bei Aktoren beachten muss, ist das Gewicht. Zum einen darf es nicht so schwer sein, dass man das Display nicht mehr heben kann (Gewicht wie ein großer Röhrenmonitor oder der "Stein in der Hose" bei Handys). Zusätzlich müssen die Aktoren aus einem ausreichend haltbaren Material bestehen, das einen geringen Verschleiß aufweist. Durch die oben genannte Anforderung an die Größe der Aktoren kann es sein, dass der Austausch eines einzelnen Aktors zu aufwendig ist, so dass man Aktoren immer in einer Gruppe oder vollständig austauschen muss - je nach Bauweise des Displays. Dies ist mit erhöhten Materialkosten verbunden, da man immer auch noch funktionierende Aktoren austauschen muss.

Aktoren können nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren^[5], wie zum Beispiel elektrodynamisch (über die Lorentzkraft) oder über die Veränderung von Memory-Metallen. Diese Prinzipien werden von den Aktoren (zum Beispiel mit einem Elektromotor) umgesetzt, um die gewünschte Funktion auszuüben.

Auch wenn der Elektromotor die "generellste Bezeichnung" des Aktors ist, ist es jedoch sehr schwer, die Anforderungen des Aktors mit einem Elektromotor umzusetzen. Zwei mögliche Prinzipien, die Veränderung der Textur hervorzurufen, sind Memory-Metalle und magnetische Kräfte.

3.2.2 Aktoren mit Memory-Metallen

Ein Aktor, der die Textur über Memory-Metalle verändert, beinhaltet neben den Metallen, die für die Verformung zuständig sind, eine Hitzequelle über die das Metall wieder in seine Gedächtnisform gebracht wird. Diese muss - je nach Legierung - eine große Hitze für einen ausreichenden Zeitraum erzeugen können. Das Memory-Metall selbst hat die Form eines Drahtes ^[6] oder wird als Film auf ein anderes Material aufgetragen.

Je nach Material kann die benötigte Hitze für das Verformen der Metalle mit 10°C bis 30°C recht gering sein^[7]. Allerdings zu beachten, dass sich die Displays im Alltagsgebrauch in einem bestimmten Temperaturbereich befinden. Dies kann von Minusgraden im Winter bis zu +40°C im Sommer oder noch höher reichen, wenn der Aktor in einem entsprechenden Industriebetrieb zum Einsatz kommt.

Entsprechend sind die Anforderungen an das Material: Es darf sich nicht bei zu niedrigen Temperaturen verformen. Allerdings darf es auch keine zu hohe Temperatur erfordern, da ein taktiles Display aus mehreren Komponenten besteht, die hitzeempfindlich sein können. So muss ein ausreichendes Kühlpotential vorhanden sein, damit ein Schaden am Gerät ausgeschlossen werden kann. Auch darf sich der Nutzer nicht bei der Bedienung der Displays die Finger verbrennen.

Des weiteren braucht der Aktor zwei Zustände, in die er verformt werden kann. Dies wird durch die Kombination von zwei Materialien erreicht ^[7], ein Memory-Metall und ein Nicht-Memory-Metall, womit auch ein Bi-Metall-Effekt^[8] erreicht wird

Je nach Erhitzung wird entweder der Bi-Metall-Effekt genutzt, um eine Form zu erhalten oder der Memory-Effekt des Metalls. Wenn beide Metalle lang genug erhitzt werden, so dass sich das Memory-Metall vollständig in seine ursprüngliche Form zurückziehen kann, wird diese Form erzeugt. Wenn die Abkühlung aber so verläuft, dass die Bewegung des anderen Metalls stärkere Kräfte erzeugt, kann sich das Memory-Metall nicht vollständig zurück formen und der Bi-Metall-Effekt ist für die Form verantwortlich.

Diese Methode hat den Vorteil, dass damit auch sehr kleine Aktoren hergestellt werden (Mikro- oder Nano-Ebene^[9]). Allerdings ist sie sehr energieintensiv und man benötigt eine ausreichend große Kühlmöglichkeit.

3.2.3 Magnetische Aktoren

Magnetische Aktoren nutzen ein magnetisches Feld um etwas zu bewegen. Wenn ein Gegenstand über Magnetkräfte bewegt wird, kann er eine Oberfläche anheben, die die gewünschte Veränderung der Textur des taktilen Displays hervorruft.

Dies wird erreicht, indem mit elektrischer Energie, die durch einen Leiter fließt, ein magnetisches Feld aufgebaut wird. Dieses Feld erzeugt eine Kraft, welche in die mechanische Bewegung umgesetzt wird. Die mechanische Bewegung ist hierbei auf das Magnetfeld begrenzt, wodurch man unterschiedliche Positionen erreichen kann.

Ein großes Problem bei dieser Methode ist die Reichweite der magnetischen Felder. Wenn man eine Textur erzeugen möchte, so muss sich die Oberfläche anheben. Dementsprechend muss ein magnetisches Feld aufgebaut werden, welches nach oben eine ausreichende Reichweite besitzt, um das Anheben entsprechend durchzuführen. Je nach größtmöglicher Höhe hat das Magnetfeld dabei eine entsprechende Reichweite, welche größer sein kann, als der gewünschte Abstand einzelner Aktoren, weil die taktilen Elemente zum Beispiel eine bestimmte Auflösung besitzen sollen. Ohne eine Abschirmung setzt sich das Magnetfeld in andere Aktoren fort und kann diese somit beeinflussen.

Dieses Problem wurde bereit erkannt, wie beispielsweise am United States Patent 7,924,145 zu sehen ist. Dieses setzt sich unter anderem mit konkreten Methoden zur Abschirmung der einzelnen Aktoren auseinander. So können diese auf den sich bewegenden Elementen installiert werden, um so ein Weiterreichen des Feldes in der Bewegungsrichtung über die Strecke der Bewegung hinaus zu verhindern.

Um das Magnetfeld aufrecht zu erhalten, muss permanent Energie induziert werden, wenn ein Element angehoben werden soll. Dies ist ein Nachteil gegenüber den Aktoren mit Memory-Metallen, die nur dann Energie benötigen, wenn sich das Element bewegen soll.

3.2.4 Zusammenfassung Aktoren

Neben magnetischen Aktoren und solchen mit Memory-Metall gibt es noch eine Vielzahl an Möglichkeiten, die gewünschte Änderung der Textur zu erreichen, zum Beispiel über Piezoelektrizität^[10] oder der Lorentzkraft. Die Wahl der Aktoren wird hierbei von der Anwendung und dem Umfeld, in dem die Anwendung zum Einsatz kommt beeinflusst. So ist es beispielsweise auf Grund der Wärmegegebenheiten an den Hochöfen der metallverarbeitenden Industrie nicht sinnvoll mit Memory-Metallen zu arbeiten. Sie können aber in Laboren oder im Umfeld eines MRT (Magnet Resonanz Tomograph) - im Gegensatz zu Magnetkräften - sinnvoll sein.

Somit kann man einem Aktor keine universelle Einsetzbarkeit zuweisen, sondern muss die Vor- und Nachteile im Umfeld der Anwendung abwägen.

3.3 Probleme bei der Hardwareentwicklung

3.3.1 Schnittstellenauswahl

Um die Daten des Displays zwischen dem PC und dem Ein-/Ausgabegerät zu transferieren, benötigt man eine entsprechende Hardwareschnittstelle^[11].

Um das Display möglichst universell einsetzen zu können, sollte man sich auf Schnittstellen konzentrieren, die nicht nur die entsprechende Datenrate aufbringen können, sondern auch noch in möglichst jedem PC vorhanden sind. Die benötigte Bandbreite hängt von der Komplexität des Gerätes ab und kann für haptische Geräte einfache von 200kb/s und bis zu 50 MB/s bei komplexeren Geräten gehen^[12].

Die serielle Schnittstelle ist nach EHD einfach zu verwenden und besitzt eine ausreichende Bitrate für einfache Applikationen. Jedoch ist sie nicht mehr in jedem PC zu finden, so dass die Verbreitung der seriellen Schnittstelle beim Endbenutzer nicht in Aussicht gestellt werden kann. Ebenso besitzt sie eine Latenz, welche sie für zeitkritische Anwendungen unbrauchbar macht. Dass ein taktiles Display nicht in diese Kategorie fallen muss, erkennt man daran, dass Immersion, eins der führenden Unternehmen in der Herstellung von haptischen Displays, seine Design Kits ("Baukästen" für haptische Displays) mit einer solchen Schnittstelle ausliefert. Dementsprechend kann man davon ausgehen, dass die technischen Spezifikationen für die Heimbenutzung beim Endkunden ausreichend sind. Allerdings ist dort die serielle Schnittstelle kaum mehr vertreten.

Anders sieht es hingegen bei USB (Universal Serial Bus) aus. USB ist im "Alltag"^[13] angekommen, d.h. es gibt kaum ein Gerät ohne einen entsprechenden Anschluss. Da USB eine höhere Datentransferrate besitzt^[14] als die Serielle Schnittstelle, ist diese ausreichend groß. EHD lässt allerdings zwei Merkmale der Schnittstelle ins Auge springen: Eine maximale Bandbreite von 4kHz sowie die Fehlertoleranz von 0,1%. Aber auch hier lässt sich durch die Auslieferung des Immersion Design Kits mit USB darauf schließen, dass dies eher für zeitkritische, komplexe haptische Simulationen von Bedeutung ist, jedoch nicht unbedingt für das Alltagsgerät des Endbenutzers.

Insbesondere bei mobilen Geräten werden jedoch nicht immer USB-Anschlüsse mitgeliefert, weshalb man sich – je nach Gerät – nicht unbedingt auf eine Schnittstelle konzentrieren sollte. So ist das iPad von Apple beispielsweise nicht mit einem USB-Anschluss ausgestattet^[15]. In diesen Fällen gilt es, einen anderen Übertragungsweg zu wählen, wie z.B. W-Lan oder Bluetooth.

Reine taktile Displays sind wesentlich toleranter als haptische Geräte in Bezug auf Schnittstellen, da das taktile Feedback nur in eine Richtung geht, was eine starke Reduzierung der möglichen Bandbreite bedeutet. Für Displays selbst gilt, dass es im Bereich der Endbenutzer kaum Anwendungen gibt (vgl. Kapitel 6.4), welche extrem zeitkritisch oder nicht fehlertolerant sind, so dass keine erhöhten Anforderungen an die Schnittstelle bestehen.

Somit kann man sagen, dass man bei Displays aus einer sehr breiten Palette an bestehenden Schnittstellen wählen kann und es nicht nötig ist, besondere Spezifikationen zu entwickeln, was die Akzeptanz der Geräte beim Endnutzer signifikant steigern kann.

3.3.2 Variation des Feedbacks

Neben den technischen Problemen, gibt es noch das unterschiedliche subjektives Empfinden des Menschen, die bei der Entwicklung eines taktilen Displays von großer Bedeutung sind.

Jeder Mensch hat ein leicht subjektives Empfinden gegenüber der gleichen Sache. Dies kann beispielsweise durch die Dicke der Haut oder Schwielen an den Händen (Beispiel Hautbeschaffenheit eines Bauarbeiters) verursacht werden. Daher muss die Entwicklung eine Möglichkeit finden, diese unterschiedlichen Empfindungen durch Einstellungsmöglichkeiten auszugleichen.

Dies kann durch Beschränkungen der maximalen Wirkung von Aktoren geschehen. So kann man zum Beispiel schon beim Bau eines Aktors diese Grenzen im Blick haben. Dennoch sollten die Aktoren breit einsetzbar sein, was bedeutet, dass sie innerhalb weiterer Grenzen funktionieren sollten, als es für eine spezielle Anwendung nötig ist. Ein Bauarbeiter benötigt ein stärkeres Feedback als ein Geschäftsmann am Bankterminal. Andererseits empfindet der Geschäftsmann ein starkes Feedback als störend und unangenehm. Diese Bandbreite muss bei der Umsetzung beachtet werden.

Um nicht für jede Anwendung einzelne, neue Aktoren mit unterschiedlichen Parametern entwickeln und produzieren zu müssen, muss die Feinabstimmung durch die Software durchgeführt werden. So würden spezielle Aktoren nur noch in sehr besonderen Einsatzgebieten benötigt werden (zum Beispiel bei Arktisexpeditionen oder Arbeit am Hochofen). Außerdem verringern sich die Herstellungskosten, weil mehr Aktoren gleicher Art in einer Massenproduktion hergestellt werden könnten.

3.3.3 Grenzen der Darstellung

Ein weiteres Problem bei der Entwicklung von Displays mit taktilem Feedback ist die Erwartungshaltung des Nutzers gegenüber dem taktilen Display. Ein taktiles Display muss den Erwartungen eines Nutzers entsprechen. So erwartet er zum Beispiel von einer Schaltfläche, dass sie angehoben ist, von einer anderen aber eine Vertiefung. Während es bei Schaltflächen recht einfach zu entscheiden ist, wie sie dargestellt werden, ist dies bei komplexeren Oberflächen, wie zum Beispiel Computerspielen, schwieriger.

Wenn eine Oberfläche zu komplex ist oder zu viele Elemente besitzt, kommen taktile Displays an ihre Grenzen, da sie durch die Aktoren, die in ihren Darstellungsmöglichkeiten begrenzt sind, nur eine bestimmte Anzahl an unterschiedlichem Feedback darstellen können.

3.4 Beispiel einer Integration

Ein Beispiel für eine Umsetzung ist die "1000 Series Touch Sense Design Kit für Touch Screens" von Immersion, eine Art Baukasten für taktile Displays.

Die Umsetzung erfolgt, indem man die taktilen Aktoren mit haptischen Sensoren kombiniert, welche die Eingabe des Nutzers registrieren. Sobald die Sensoren eine Eingabe erkannt haben, muss dieses Signal an die Aktoren weitergegeben werden, damit diese entsprechend reagieren können. So kann man zum Beispiel die Tastatur simulieren, indem die Oberfläche teilweise nachgibt, bis die Eingabe registriert worden ist und sich dann nicht weiter eindrücken lässt.

Der Aktor ist über eine Verbindung mit dem berührungsempfindlichen Bildschirm (Touchscreen) verbunden. Dieser Aktor ist für das taktile Feedback des Bildschirms verantwortlich, indem er die Oberfläche zum Vibrieren bringt. Durch dieses Verhalten der Oberfläche kann der Nutzer über seine Finger die Feedback-Information der Eingabe aufnehmen.

Die Registrierung der Eingabe erfolgt über den Touchscreen, der ein Signal an den Touchscreen Controller weitergibt. Dieser Controller gibt daraufhin vorprogrammierte Befehle an die Aktoren aus, welche dann das entsprechende Feedback erzeugen.

4 Integration von taktiler Rückmeldung in die GUI

Bei der Integration von taktilem Feedback in die graphische Benutzerschnittstelle liegt der Hauptaspekt bei Umsetzung von visueller, auditiver und taktiler Übereinstimmung. Anblick, Klang und Empfindung müssen stimmig sein. Die taktilen Effekte sollen in die Benutzeroberfläche ergänzend implementiert werden. Die Benutzer erwarten außerdem Reaktionen, die mit ihrer Erfahrungswelt übereinstimmen. Eine Bestätigungsrückmeldung die Schmerzempfinden auslöst, erzielt bei einer Warnmeldung den gewünschten Erfolg, bei einer einfachen Auswahlschaltfläche irritiert sie den Benutzer.

Die Bedienung von berührungsempfindlichen Oberflächen umfasst das Auswählen von Schaltflächen, das Ziehen, Schieben, Zoomen von Objekten und Blättern in Dokumenten. Für diese Elemente gibt es von Immersion Design-Empfehlungen ^[16]:

Tap

Einfaches Antippen wird oft als Bestätigungsrückmeldung bezeichnet, da angezeigt wird, dass der Benutzer etwas ausgewählt hat. Jedes auswählbare GUI-Element kann von einer Bestätigungsrückmeldung profitieren. Je nach Komplexität der Anwendung kann ein einzelner ausgewählter taktiler Effekt zur Bestätigung aller Elemente verwendet werden. Alternativ können verschiedene Effekte für unterschiedliche Elemente implementiert werden.

Double Tap

Doppeltes Antippen wird oft zum Vergrößern (zoomen) benutzt und ist häufig einhergehend mit einem graphischen Übergang. Dazu werden Effekte benötigt, die in der Dauer der Interaktion stärker oder schwächer werden. Der taktile Effekt muss mit dem visuell sichtbaren Übergang stimmig sein. Wenn zum Beispiel ein graphischer Übergang mit einer sichtbaren Grenze endet, muss auch der taktile Effekt den maximalen oder minimalen Spitzenwert erreicht haben.

Long Press

Langes Drücken, dass auch als "touch and hold" (Berühren und Halten) bezeichnet wird. Auch dabei ist die Implementierung von anhaltenden taktilen Effekten sinnvoll. Die Rückmeldung kann den Benutzer auf unbeabsichtigtes Drücken (Ablegen der Finger) aufmerksam machen.

Slide/Drag

Ziehen, dass häufig zum Neupositionieren von Objekten, Festlegen von Fenstergrößen, Positionsänderungen der Schieberegler und zum Blättern (scrollen) verwendet wird. Der zeitliche Abstand zwischen den Effekten verweist auf die Scroll-Geschwindigkeit. Wenn ein Anwender langsam durch ein Dokument blättert, fühlt er bei jeder neuen Textzeile einen taktilen Effekt. Bei schnellerem Blättern erfährt er einen Effekt bei jeder neuen Seite. Bei Erreichen des Dokumentenendes liefert ein anderer taktiler Effekt diese Information.

Swipe

Wischen, bezeichnet die schnelle Bewegung eines Fingers über die Touch-Oberfläche in einer ballistischen, linearen Bewegung. Sie wird häufig zum Scrollen, Seiten umblättern oder zum Öffnen eines Menüs verwendet. Da Swipes gewöhnlich Übergänge oder Animationen aktivieren, ist es wichtig, dass die taktile Reaktion mit der visuellen Benutzerschnittstelle synchronisiert wird. Bei langsam startenden Anwendungen sollte der taktile Effekt weich sein und mit dem Bildschirmaufbau stärker werden.

Spread and Pinch

Verbreitern, das mehrfache Berühren kann Auswählen und Verschieben in die selbe Bewegung einbeziehen. In der Regel bewegen Daumen und Zeigefinger sich voneinander weg. Die daraus resultierenden Aktionen sind abhängig von der Applikation (Anwendung). Beispielsweise können sie für die Auswahl mehrfacher Objekte in einer Datei oder für das Zoomen in einer Karte verwendet werden. Die Auswahl multipler Elemente kann die Wiedergabe von einfachen Rückmeldungen auslösen. Beim Zoomen ist eine an- und abschwellende Rückmeldung wirkungsvoller.

Realistische virtuelle Buttons

Um das Gefühl von mechanischen Umschaltern wiederzugeben, ist eine taktile Rückmeldung erforderlich, wenn die "Taste" am Bildschirm gedrückt wird und eine zweite beim "Loslassen" der Taste. Dies erzeugt das Gefühl des Drückens und Loslassens wie bei realen Schaltern.

5 Forschung und Studien

5.1 Forschung

Die Auswirkung von taktilem Feedback wurde in Studien untersucht. Dabei wurde das taktile Feedback einmal als primäres Medium zur Übermittlung von Informationen untersucht wie auch als Mittel zur Mitteilung von unterstützenden Informationen und im Zusammenhang mit audiovisuellem Feedback.

Im Hinblick auf die Entwicklung taktiler Displays sind nach Immersion^[17] folgende Punkte von besonderem Interesse:

Erweiterung der Benutzerschnittstelle

Die Benutzerschnittstelle kann um eine weitere Wahrnehmungsebene ergänzt werden. Die Interaktion kann visuell, auditiv und über Empfindungen erfolgen. Bildschirmoberflächen können entlastet werden, indem Rückmeldungen auditiv oder taktil erfolgen. Die klassischen Dialogboxen können durch Töne oder taktile Effekte ersetzt oder ergänzt werden. Der Vorteil von taktilem gegenüber auditivem Feedback ist die Geräuschlosigkeit und direkte persönliche Übertragung. Die GUI kann durch die Implementierung und Nutzung anderer "Interaktionskanäle" visuell entlastet werden.

Taktiles Feedback kann zudem Emotionen weitergeben. Die Hautstimulation kann Empfindungen wie Schmerz oder Wohlbefinden auslösen. Die ermöglicht den Transport von "Emotionen".

verbesserte Leistung und Nutzerzufriedenheit

Das Fehlen der typischen Druckbewegung bei der Eingabe von Daten oder der Bedienung von Systemen irritiert Benutzer. Bei berührungsempfindlichen Bildschirmen kann die taktile Rückmeldung dem Nutzer das fehlende Empfinden der "gedrückten" Taste simulieren. Das reduziert die Rate von Fehlversuchen und erhöht gleichzeitig die Nutzerzufriedenheit.

Reduzierung kognitiver Belastung

Kognitive Belastung bezeichnet die Grenzen der menschlichen Erkenntnis- und Informationsverarbeitung, Funktion, die mit Wahrnehmung, Lernen, Erinnern und Denken in Zusammenhang stehen. Konzentration, Motivation, Lern- und Erinnerungsvermögen werden von Belastung und/oder Ablenkung beeinflusst. Die Stimulation der Haut kann die Aufmerksamkeit auf einem anderen sensorischen Kanal "wecken", als eine visuelle Meldung.

5.2 Studien

In den Studien wurden die Vorteile des taktilen Feedbacks herausgearbeitet und untersucht. In einem Whitepaper von Immersion^[17] wurden die Studien kurz vorgestellt.

1960 hat der Psychologe Professor Frank A. Geldard an der University of Virginia beobachten können, dass die Sinneswahrnehmung durch die Haut geeignet ist, um einen Alarm wahrzunehmen. Dies erfolgte am besten über ungewöhnliche Schwingungsmuster, die die Aufmerksamkeit besonders gut auf die entsprechende Sache lenken konnten.

Van Erp und Van Veen haben 2001 untersucht, wie vibrotaktiles Feedback auf Nutzer wirkt, welche gerade mit etwas anderem beschäftigt sind. Im Ergebnis wurde festgehalten, dass der Nutzer die Informationen selbst unter extremen Bedingungen (6-fach Erdanziehungskraft) wahrnehmen kann.

Nokia veröffentlichte 2003 eine Studie, die den Mehrwert von taktilem Display in mobilen Geräten bestätigt. Dafür wurden Teilnehmer der Studie aufgefordert, Nummern über ein Display einzugeben, das taktiles Feedback in unterschiedlichen Stärken zurück gab. Wenn die Nutzer auf das Display sehen konnten, brachte zusätzliches, taktiles Feedback keine Verbesserung. Bei der Eingabe ohne Sicht zum Display schnitt das Gerät mit dem verringerten taktilem Feedback schlechter ab als das Displays mit einem großen taktilen Feedback, die Nutzer brauchten 25% mehr Zeit um die Nummern einzugeben.

Auch Immersion hat selbst eine Studie durchgeführt, die die Zufriedenheit der Nutzer bei Displays mit taktilem Feedback untersucht. Diese wird in Imm1 (Tactile Feedback in Mobile) vorgestellt. Dabei wurde festgestellt, dass 78% der Nutzer ein detailliertes, haptisches Feedback gegenüber gar keinem haptischen Feedback bevorzugen. Allerdings ist in den Ergebnissen der Studie zu sehen, dass die Akzeptanz für haptisches Feedback besser ist, wenn die Applikation direkt dafür konzipiert worden ist.

Hierfür wurden zwei Spiele gegeneinander getestet, eines welches im Hinblick auf haptisches Feedback entwickelt worden war (Pinball) und eines, bei dem das haptische Feedback nachträglich hinzugefügt wurde (Frozen Bubbles).

Hier zeigt sich, dass das "einfache" Hinzufügen von haptischem Feedback keinen Nutzen bringt, sondern die Anwendungen in visueller, taktiler/haptischer und ggf. auditiven Übereinstimmung entwickelt werden müssen.

5.3 Zusammenfassung Studien

Die Studien zeigen, dass sich die Investition in taktiles Feedback lohnt. Zum einen steigert man damit die Nutzerzufriedenheit, was die Voraussetzung für eine breite Akzeptanz der neuen Technologie ist. Des weiteren erhöht sich mit taktilem Feedback die Effizienz, mit der die Geräte bedient werden können und die Fehlerrate sinkt.

All dies spricht für die Erweiterung der GUI um taktiles Feedback. Mit potentiellen negativen Effekten wie Abschreckung durch falsche Einstellungen oder einer schlecht gestalteten Benutzeroberfläche beschäftigt sich keiner dieser Studien, die alle von Immersion, einem führenden Unternehmen in der Entwicklung von Geräten mit haptilem Feedback, veröffentlicht worden sind. Mögliche Probleme wie zum Beispiel eine Umgewöhnungsphase oder eine Analyse des Kosten/Nutzen-Faktors bei der Herstellung solcher Geräte werden nicht aufgegriffen.

6 aktuelle Entwicklungen

6.1 Erste kommerzielle Ansätze

Generell sind taktile Displays noch im Entwicklungsstadium. Erste kommerzielle Ansätze finden sich im Bereich der mobilen Geräte. Die meisten Geräte sind heute mit zusätzlichen Funktionen, wie Internetzugang, Terminkalender, Rechner, etc. ausgestattet. Zur besseren Darstellung werden Displays vergrößert und die Bedienelemente hinein verlagert. Taktile Effekte können hier zur intuitiven und anwenderfreundlichen Bedienbarkeit beitragen. Anders als auditive Rückmeldungen, die oft als störend empfunden werden, sind taktile Effekte leise, persönlich und direkt.

Verschiedene Firmen entwickeln Lösungen oder Produkte zur Integration von taktilen Effekten in Displays. Zwei Firmen werden beispielhaft genannt, die Firma Immersion, die führend im Bereich der Entwicklung taktiler und haptischer Technologie ist und "Bayer MaterialScience AG", die innovativ im Bereich der Herstellung von geeigneten Oberflächen ist.

6.2 Taktile Effekte von Immersion

Die amerikanische Firma Immersion ist der führende Innovator im Bereich taktiler und haptischer Technologie und Produkten.

Zur Integration von taktilen Effekten in Displays bietet Immersion Fertiglösungen in verschiedenen Serien an. Diese Lösungen können von den Herstellern in ihre Endprodukte eingebaut werden. Sie bestehen aus ^[18]

• Hardware
  • Aktor zum Erzeugen der taktilen Effekt

• Software
  • "Haptic Player", steuert die Ausführung der taktilen Effekte im Aktor
  • API (Application Programming Interface ), integriert taktile Effekte in die Anwendungsprogramme

• Zusätze, Anleitung
  • je nach Serie weitere Zusatzkomponenten, wie vorgefertigte Monitore und Beispielapplikationen
  • Anleitungen zum Test und Einbau in Endprodukte

Zusätzlich bietet Immersion eine Entwicklungsplattform (Immersion’s MOTIV™ Development Platform) für die taktile Integration in das Android OS (Betriebssystem für mobile Geräte). Sie beinhaltet eine API sowie Module zur Integration in die Benutzerschnittstellen mobiler Endgeräte^[19].

Verschiedene Hersteller von Endprodukten haben bereits Lizenzvereinbarungen mit Immersion. So verwenden LG Electronics, Nokia, Samsung Immersion TouchSense Technologie um ihre Modelle (Handys, Smartphones, Music Player) mit taktilen Effekten ausstatten zu können^[20].

6.3 Elektroaktive Polymere von Bayer

Die Bayer MaterialScience AG und ihr Tochterunternehmen Artifical Muscle Inc. haben ebenfalls Lösungen für die Herstellung von Smartphones mit taktilen Displays vorgestellt. Diese benutzen elektroaktive Polymere als Aktoren, um das taktile Feedback zu erzeugen. Diese können bei Smartphones, Gamecontroller und Touchpads eingesetzt werden können.

Bayer MaterialScience AG hat auch einen Lizenzvereinbarung mit der Immersion unterzeichnet ^[21][22], was die Bedeutung von Immersion als führendes Unternehmen im Bereich der haptischen Technologie weiter unterstreicht.

6.4 Ausblick auf weitere Anwendungsbereiche

Office-Geräte

Office Geräte wie Drucker, Kopierer und Telefone sind leistungsfähiger geworden, ihre Benutzeroberflächen komplexer. Die Bedienung über berührungsempfindliche Bildschirme bieten eine einfachere Benutzerführung und mehr Übersichtlichkeit. Das Scannen eines Dokuments und Weiterleitung als PDF (Portable Document Format) per E-Mail ist eine typische Büroaufgabe. Das Scrollen durch Kontaktlisten mit einem Finger und Auswahl einer Adresse oder Option, kann sinnvoll durch taktile Effekte unterstützt werden.

Navigationssysteme

Fahrer werden durch die Bedienung eines Navigationssystems oder die Annahme eines Telefongesprächs abgelenkt. Die Automobilindustrie entwickelt Bedienelemente die es dem Fahrer ermöglichen, ohne Ablenkung zu agieren. Viele Entwicklungen wie Hebel im Lenkradbereich sind mit haptischen Elementen ausgestattet. Für Navigationssysteme bietet sich die Bedienung über das Display und taktile Rückmeldung an. Der Fahrer erhält die Bestätigung, dass eine Eingabe angenommen wurde. Es stellt eine Alternative zu auditiven Rückmeldung dar.

Brailledisplay

Seit einigen Jahren bieten taktile Displays die Möglichkeit visuelle Informationen vom Bildschirm so zu präsentieren, dass diese für stark sehbehinderte und blinde Menschen erfühlbar werden. Damit eröffnen sich Wege Bilder, Graphiken und Diagramme auch für diese Benutzergruppe ohne textuelle Beschreibung zugänglich zu machen.

Unterhaltungsindustrie

Nach EHD ^[23]gibt es auch die Möglichkeit, taktiles bzw. haptiles Feedback in Computerspielen einzusetzen. Hier soll das Feedback den Eindruck einer virtuellen Welt verstärken. So kann ein Spieler sich noch weiterhin die Welt des Computerspieles vertiefen. Auch würde die Interaktion mit der virtuellen Welt einen natürlicheren Eindruck hinterlassen.

Automaten

Automaten mit berührungsempfindlichem Display sind in Flughäfen, Supermärkten, Restaurants und Banken als Ticketschalter oder Geldautomaten zu finden. Benutzer haben oft intuitiv die Bedienung vorzunehmen. Eine taktile Rückmeldung kann hier unterstützend wirken.

Medizin

Neue Verfahren können in der medizinischen und chirurgischen Ausbildung am Computer simuliert und getestet werden. Taktile oder haptische Feedback-Effekte liefern eine realistische Unterstützung beim Erlernen von motorischen Fähigkeiten, die beispielsweise beim Navigieren eines Schlauches durch den menschlichen Körper erforderlich sind.

7 Fazit

Bei der Herstellung von Displays mit taktilem Feedback muss man sich mit vielen Problemen auseinander setzen. Aufgrund der Bedeutung des taktilen Feedbacks für den potentiellen Nutzer gilt es, auf viele unterschiedliche Empfindungen einzugehen. Ebenso gibt es technische Herausforderungen bei der Herstellung der Aktoren. Dennoch gibt es erste Prototypen, welche Studien zu Folge auch bei den Endnutzern akzeptiert werden. Auch wird die Weiterentwicklung dieser Technologie schon von kommerziell ausgerichteten Unternehmen betrieben.

Zahlreiche Touchscreen-Anwendungen auf dem Markt ersetzen schon heute herkömmliche Tasten und Schaltflächen. Bei diesen herkömmlichen Touchscreens gibt es jedoch kein fühlbares Feedback, ob eine Eingabe registriert worden ist oder nicht. Dies wird momentan durch audiovisuelles Feedback gelöst. Aufgrund der Nachteile dieser Methode gibt es hier ein großes Potential für Displays mit taktilem Feedback, welches die Rückmeldung direkt und diskret an den Nutzer weitergibt.

Somit ist das taktile Feedback ein fehlendes Element, was die Bedienung der Touchscreens angeht. Mit taktilem Feedback kann die Bedienung über Touchscreens mit der herkömmliche Geräte gleichziehen und sogar überholen, da sich mit einer flexiblen Oberfläche mehrere Geräte zusammenfassen lassen (zum Beispiel Tastatur oder Maus als taktiles Feedback).

Die Technik befindet sich noch im Anfangsstadium. Aufgrund der Vielzahl an Prototypen und Studien zur praktischen Anwendung taktiler Displays kann man aber davon ausgehen, dass die Vermarktung taktiler Displays für den Massenmarkt in absehbarer Zeit beginnen wird.

8 Fußnoten

1. ↑ Lesewelt: taktile Wahrnehmung
2. ↑ Medizin Info
3. ↑ Memory-Metalle: Metalllegierungen, die ihre Form "im Gedächtnis" behalten und durch Erwärmung diese Wiedererlangen können
4. ↑ Lorentzkraft: Kraft, die zwischen einen bewegten, aufgeladenen Gegenstand und einem Magnetfeld wirkt
5. ↑ EHD, S.192
6. ↑ EHD, S.194
7. ↑ ^{7,0 7,1} TFSMA, S.427ff
8. ↑ Bi-Meall-Effekt: Wenn zwei Metalle aufeinander liegen und erwärmt werden, krümmen sie sich, wenn sich eins unter Wärmeeinfluss mehr ausdehnt als das andere
9. ↑ TFSMA, S.9f
10. ↑ Piezoelektrizität: Die Spannung zwischen zwei geladenen Elementen steigt, wenn sie sich aufeinander zu bewegen
11. ↑ EHD, Kap.12
12. ↑ EHD, S.376
13. ↑ Leistung von USB
14. ↑ Leistungsvergleich Speichertechnologien
15. ↑ iPad
16. ↑ vgl. Enhancing Device Design, S.4f
17. ↑ ^{17,0 17,1} Tactile Feedback in Mobile
18. ↑ TouchSense Tactile Feedback
19. ↑ MOTIV Development Platform
20. ↑ Licensees
21. ↑ Immersion and Bayer
22. ↑ Bayer MaterialScience
23. ↑ EHD, S.388

9 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung	Bedeutung
API	Application Programming Interface
EHD	Engineering Haptic Devices
GUI	Graphical User Interface
Imm1	Consumer Attitudes
MRT	Magnet Resonanz Tomografie
PC	Personal Computer
PDF	Portable Document Format
TFSMA	Thin Film Shape Memory Alloys
USB	Universal Serial Bus

10 Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr.	Abbildung
1	Interaktion im geschlossenen Kreislauf (closed-loop system)
2	Wahrnehmung und Informationsverarbeitung
3	Rezeptoren für taktiles Empfinden in der menschlichen Haut
4	Bewegliche Stifte zur Veränderung der Oberflächentextur
5	Beispiel einer komplexen Oberfläche anhand Eve Online
6	Möglicher Aufbau eines haptischen Displays mit Immersion TouchSense Design Kit
7	Vorzug von haptischem Feedback vs. kein haptisches feedback bei Pinball und Frozen Bubbles

11 Literatur- und Quellenverzeichnis

Engineering Haptic Devices	Engineering Haptic Devices, Engineering Haptic Devices A Beginner’s Guide for Engineers, Dr.-Ing. Thorsten A. Kern, Springer Verlag (2009)
HCI Beyond the GUI	HCI Beyond the GUI, Design for Haptic, Speech, Olfactory and Other Nontraditional Interfaces, Philip Kortum, Morgan Kaufmann Publishers (2008)
Functional Materials	Functional Materials FM1 - Shape Memory Alloys, Klaudia Herbst, Sven Marten Czerwonka, Manfred Thomann 06.06.2005, http://globaldeath.de/sma.pdf, (23.06.2011, 10:46)
Thin Film Shape Memory Alloys	Thin Film Shape Memory Alloys Fundamentals and Device Applications, Shuichi Miyazaki, Yong Qing Fu, Wei Min Huang ,Cambridge University Press, (2009)
Magnetic Actuators	Magnetic Actuators and Sensors Magnetic Actuators and Sensors von John R. Brauer, John Wiley & Sons (2006)
United States Patent	United States Patent 7,924,145: Haptic module using magnetic force United States Patent 7,924,145: Haptic module using magnetic force, electronic apparatuses having the module , http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=7924145.PN.&OS=PN/7924145&RS=PN/7924145, (23.06.2011 13:32)
Mensch-Computer-Interaktion	Leseprobe: Grundlagen der Mensch-Computer-Interaktion, Markus Dahm, Persion Studium, www.terrashop.de/pdfs/leseprobe/9783827371751.pdf (12.07.2011, 13:38)
Interface Feedback	Interface Feedback, Exploration alternativer Feedback Erfahrung im Gamedisign, Timo Schwertle, www.schwertle.com/_media/pdf/interface_feedback.pdf, (14.07.2011, 10:10)
IT Wissen	IT Wissen http://www.itwissen.info/definition/lexikon/graphical-user-interface-GUI-Grafische-Benutzeroberflaeche.html, (20.07.2011, 12:55)
Rezeptoren	Medizin Info http://www.medizinfo.de/hautundhaar/anatomie/rezeptor.htm, (15.07.11,11:41)
Taktile Wahrnehmung	Lesewelt, taktile Wahrnehmung, http://www.lesewelt.at/pdf/abstract/172.pdf
Eve Online	Eve Online www.eveonline.com, (17.07.2011, 15:34)
The Value of Haptics	Immersion White Paper: The Value of Haptics, http://www.immersion.com/docs/Value-of-Haptics_Jun10-v2.pdf, (15.04.2011, 12:42)
Harnessing Human Touch	Immersion White Paper: Harnessing Human Touch, http://www.immersion.com/docs/harnessing-human-touch.pdf, (15.04.2011, 12:47)
Enhancing Device Design	Immersion White Paper: Enhancing Your Device Design Through Tactile Feedback, http://www.immersion.com/docs/Enhancing-Device-Design-Through-Tactile-Feedback.pdf, (15.04.2011, 12:48)
TouchSense Design Kits	Immersion White Paper: TouchSense Tactile Feedback Design Kits for Large Touch Applications -1000 Series, http://www.immersion.com/docs/TS1000-Design-Kits_may10-v3.pdf, (15.06.2011, 13:09)
A300 TouchSense Actuator	Immersion: A300 TouchSense Actuator Specifications (http://www.immersion.com/docs/a300-specsheet_aug09-v3.pdf, (15.06.2011, 13:16)
Tactile Feedback in Mobile	Immersion White Paper: Improving the Mobile User Experience through Touch, http://www.immersion.com/docs/Haptics_Improving-Mobile-UE_jun10v2.pdf, (15.04.2011, 12:34)
Consumer Attitudes	Immersion White Paper: Tactile Feedback in Mobile: Consumer Attitudes about High-Definition Haptic Effects in Touch Screen Phones, http://www.immersion.com/docs/Mobile-Haptics-Consumer-Research-v1feb11.pdf, (01.06.2011, 08:59)
TouchSense Solutions for Printers	Immersion: TouchSense Solutions for Printers and Multifunction Peripherals,http://www.immersion.com/docs/market-brief-printers_jun10-v3.pdf, (15.06.2011, 13:13)
TouchSense Solutions for PND	Immersion: TouchSense Solutions for Portable Navigation Devices ,http://www.immersion.com/docs/market-brief-pnd_may10-v3.pdf, (05.07.2011, 12:20)
TouchSense Solutions for PC	Immersion: TouchSense Solutions for Personal Computer,http://www.immersion.com/docs/market-brief_personal-computer_aug10-v1.pdf, (05.07.2011, 12:24)
TouchSense Systems for Mobile Devices	Immersion: TouchSense Systems for Mobile Devices ,http://www.immersion.com/docs/TS-mobile-phones_may10-v2.pdf, (05.07.2011, 12:45)
TouchSense Solutions for Kiosks	Immersion: TouchSense Solutions for Kiosks and Point-of-Sale Terminals,http://www.immersion.com/docs/market-brief-kiosk-pos_jun10-v3.pdf, (05.07.2011, 12:48)
TouchSense Tactile Feedback	Immersion: TouchSense Tactile Feedback, http://www.immersion.com/products/touchsense-tactile-feedback.html, (20.07.2011, 21:00)
Licensees	Immersion: Licensees, http://www.immersion.com/partners/licensees/index.html, (20.07.2011, 21:00)
Immersion and Bayer	Immersion: Immersion and Bayer MaterialScience Strike Licensing Agreement, http://ir.immersion.com/common/download/download.cfm?companyid=IMMR&fileid=440697&filekey=ab610763-810b-4018-8c1f-49633b5b2c8f&filename=549481.pdf, (05.07.2011, 11:27)
Bayer MaterialScience	Bayer MaterialScience: Pressemitteilung (http://www.baynews.bayer.de/baynews/baynews.nsf/id/Fuehlbare-Touchscreens-und-Spielgeraete?Open&ccm=010050&gcsId=dcs6j1z5yh1lo28khlzc57lfb_2t6w, (04.07.2011,13:16)
MOTIV for Android	Immersion: Immersion Announces MOTIV Development Platform for Android, http://ir.immersion.com/common/download/download.cfm?companyid=IMMR&fileid=440401&filekey=8423e8c0-dcd8-4c4d-9a33-a4099f28cc5f&filename=549080.pdf,(05.07.2011, 12:17)
MOTIV Development Platform	Immersion: MOTIV Development Platform, http://www.immersion.com/products/motiv/index.html, (20.07.2011, 21:00)
Leistung von USB	http://winfwiki.wi-fom.de/index.php/Datendurchsatz_und_Leistung_von_USB_2.0/3.0_und_Firewire_in_Theorie_und_Praxis#USB, (29.06.2011, 21:45)
Leistungsvergleich Speichertechnologien	http://winfwiki.wi-fom.de/index.php/Leistungsvergleich_aktueller_Speichertechnologien_und_zuk%C3%BCnftige_Entwicklungen#USB-Memory-Sticks_.28USB-Sticks.29 (29.06.2011, 21:47)
iPad	http://www.apple.com/de/ipad/features/ (29.06.2011, 22:06)