Ein Hauch von Einfallsreichtum

Da immer mehr Smartphones und MP3-Player über Touchscreens verfügen, haben sich die Menschen daran gewöhnt, mit Geräten nur durch Tippen und Wischen mit den Fingern zu interagieren. Aber im 11. Stock eines Gebäudes in Downtown Manhattan entwickeln die New York University-Forscher Ilya Rosenberg und Ken Perlin eine Schnittstelle, die noch weiter geht. Es ist ein dünnes Pad, das nicht nur auf den Druck eines Fingers, sondern auch auf eine Reihe von Objekten wie einem Fuß, einem Stift oder einem Trommelstock präzise reagiert. Und es kann mehrere Eingaben gleichzeitig erkennen.



Ken Perlin (links), Professor für Informatik an der NYU, und Ilya Rosenberg, Absolventin der NYU, zeigen die Plastikfolien, die der Ausgangspunkt für ihre druckempfindlichen Touchpads sind.

Post-Quanten-Kryptographie

Die Idee zu dem Pad kam Rosenberg, einem Doktoranden an der NYU, vor einigen Jahren, als er mit einem leitfähigen Polymer namens Force-Sensing Resistance Ink arbeitete, das häufig in elektronischen Musiktastaturen verwendet wird. Wenn Druck auf die Tinte ausgeübt wird, orientieren sich ihre Moleküle so um, dass sich ihr elektrischer Widerstand ändert, der leicht zu messen ist. Rosenberg verwendete die Tinte ursprünglich, um Sensoren zu entwickeln, die unter Tennisplatzgrenzen eingebettet werden konnten, um Telefongespräche zu automatisieren, aber er fragte sich, ob dies möglicherweise die Grundlage einer guten Multitouch-Schnittstelle für Computer sein könnte. Er begann mit Perlin, einem Professor am Media Research Laboratory der NYU, zusammenzuarbeiten, um ein druckempfindliches Touchpad als Ersatz für eine Computermaus herzustellen.





Innovatoren unter 35 | 2009

Diese Geschichte war Teil unserer September-Ausgabe 2009

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Druckempfindliche Kissen gibt es seit Jahren, aber die meisten waren auf einfache Anwendungen beschränkt, wie zum Beispiel das Erfassen, wenn ein Autositz belegt ist. Geräte wie der Palm Pilot, die einen Stift zur Eingabe von Daten verwenden, erkennen normalerweise Berührungen, indem sie Änderungen des elektrischen Widerstands messen, wenn ein Objekt auf den Bildschirm tippt. Aber diese Bildschirme können jeweils nur eine einzige Berührung registrieren. Touchscreens auf Smartphones verwenden hingegen einen Sensor, der Änderungen der Kapazität oder die Fähigkeit des Materials, eine elektrische Ladung zu halten, erkennt; Die Kapazität ändert sich, wenn sich wasserhaltige Objekte – einschließlich Finger – über den Bildschirm bewegen. Solche Bildschirme können mehrere Berührungen erkennen, aber keinen Druck erkennen.

Das Touchpad von Rosenberg und Perlin vereint dagegen einige Vorteile all dieser Technologien. Es kann gleichzeitig den Druck und die Position mehrerer Berührungen registrieren und lässt sich einfach und kostengünstig auf die Größe einer Pendelleuchte verkleinern oder auf eine Tischplatte skalieren.



Lackierter Kunststoff
Um ein druckempfindliches Touchpad zu bauen, beginnt Rosenberg mit Plastikfolien, die etwas dicker sind als ein Blatt Papier. Er verwendet ein spezielles Programm, um ein Linienmuster zu entwerfen, das auf jedes Blatt gedruckt wird, und passt das Muster an den beabsichtigten Verwendungszweck des Geräts an. Die Leitungen sind auf dem Kunststoff in Metall verlegt, um sie elektrisch leitfähig zu machen; das Blatt wird dann mit einer gleichmäßigen Schicht der schwarzen druckempfindlichen Tinte bedeckt. In großen Mengen würden die gedruckten Sensoren etwa 100 US-Dollar pro Quadratmeter kosten, aber da es sich bei diesen Prototypen im Letter-Format um Einzelstücke handelt, kostet jeder einzelne etwa 100 US-Dollar.

Rosenberg legt zwei der vorbereiteten Platten mit der Polymertintenseite nach innen aneinander und richtet sie so aus, dass die Leiterbahnen ein Gitter bilden. Dann klebt er die Blätter mit doppelseitigem Klebeband zusammen. Jede sechste Metallleitung endet an einer Kante der Kunststoffplatten in einem kurzen, flexiblen Schwanz, der mit einer Klemme mit einer starren Leiterplatte verbunden ist. Obwohl der Rest der Drähte nicht mit der Elektronik verbunden ist, beeinflussen sie die elektrischen Eigenschaften der aktiven Leitungen, wodurch die Software erkennen kann, woher eine Berührung kommt.

Die Platine selbst enthält einen Mikrochip, der so programmiert ist, dass er das Sensorpad scannt und jeden aktiven Draht in schneller Folge mit Strom versorgt. Der Chip wandelt auch die Druckdaten von einem kontinuierlichen analogen Signal in ein digitales Format um, das ein Computer interpretieren kann. Schließlich komprimiert es die Daten und sendet sie über eine USB-Verbindung oder (für musikalische Anwendungen) einen MIDI-Port an einen Computer.

Was ist die Manosphäre?

Die Software auf dem Computer berechnet sowohl die Position von Objekten, die das Pad berühren, als auch den Druck, den sie ausüben. Berührt ein Gegenstand den Schnittpunkt zweier Leiterbahnen, registriert die Elektronik dort einen starken Strom; aber je weiter weg von der Kreuzung es berührt, desto schwächer ist der Strom aufgrund des spezifischen Widerstands der Tinte. Prototypen haben bereits eine Auflösung, die hoch genug ist, um Finger- und Stifteingaben für Tablet-PCs genau zu erkennen. Mit einer einzigen Berührung kann es Kräfte von fünf Gramm bis fünf Kilogramm mit einer Fehlerquote von 2,5 Prozent aufzeichnen – genug, um das leichte Tippen eines Stifts oder das Anschlagen einer digitalen Trommel zu interpretieren. Da so wenige Drähte mit Strom versorgt werden müssen, sagt Perlin, können größere Versionen des Pads eine ähnliche Empfindlichkeit ohne viel mehr Komplexität oder Kosten erreichen.



Marktdruck
Heutige Prototypen sind in einem undurchsichtigen Schwarz gehalten, daher sind sie als Touchscreen-Schnittstellen für Mobiltelefone und andere elektronische Geräte ungeeignet. Aber eine so präzise und kostengünstige druckempfindliche Schnittstelle hat noch viele potenzielle Anwendungen, sagt Perlin.

Rosenberg und Perlin haben beispielsweise mit anderen Forschern an mehreren medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen zusammengearbeitet. Perlin sagt, das Pad könnte Schuhen hinzugefügt werden, um den Gang zu überwachen, und Krankenhausbetten, um das Pflegepersonal zu warnen, wenn ein Patient zu lange still lag, was das Risiko von Druckgeschwüren erhöht. Das Pad ist sogar empfindlich genug, um Druckwellen in Wasser und Luft zu messen; Dies könnte zu besseren Strömungsmodellen führen, die bei der Konstruktion von Flugzeugen und Booten helfen könnten. Heute verwenden Forscher Arrays einzelner Sensoren, um solche Daten zu sammeln, aber sie sind zu teuer, um sie auf einem großen Gebiet zu verwenden.

Die Technologie ist auch in Multitouch-Schnittstellen für elektronische Geräte nützlich. Patrick Baudisch, Forscher am Hasso-Plattner-Institut in Deutschland, hat das Pad auf der Rückseite eines kleinen Gaming-Gadgets integriert und damit effektiv eine ergonomische Touch-Eingabe hinzugefügt: Benutzer können das Spiel steuern, ohne dass ihre Finger den Bildschirm blockieren. Und Rosenberg glaubt, dass er und seine Kollegen durch die Verwendung einer anderen Art druckempfindlicher Tinte und dünnerer Linien einen transparenten Sensor bauen können, der in Touchscreens auf Mobiltelefonen und Tablet-PCs verwendet werden kann.

Das Touchpad von Rosenberg und Perlin ist viel empfindlicher als andere Widerstandssensoren, sagt Andy Wilson, ein Microsoft-Forscher, der Surface, einen kommerziell erhältlichen Multitouch-Tisch, entwickelt hat. Viele der Anwendungen konzentrieren sich auf die interessante Verwendung des Drucksensors, sagt er. Er fügt jedoch hinzu, dass die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt und es schwer zu sagen ist, wie viel billiger sie als die heutigen Touch-Interfaces sein wird.

Im April gründeten Rosenberg und Perlin Touchco, ein Startup, das die Technologie lizenzieren und Unternehmen, die sie in Geräte wie Mobiltelefone und E-Reader einbauen möchten, Design-Unterstützung bietet. Die Ingenieure des Unternehmens erforschen weitere Anwendungen – etwa die erste elektronische Handtrommel, die ohne einen so fein auflösenden Sensor nicht möglich wäre.

Schließlich könnten diese dünnen, unauffälligen Touchpads in praktisch jede Oberfläche eingebaut werden, was eine neue Dimension der Multitouch-Interaktion eröffnet.

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