Föreställ dig att hålla hand med en älskad på andra sidan jorden. Eller känna en klapp på axeln från en lagkamrat i onlinespelet "Fortnite".

Northwestern University-forskare har utvecklat en ny tunn, trådlöst system som ger en känsla av beröring till alla virtuella verklighetsupplevelser (VR). Denna plattform kan inte bara lägga till nya dimensioner till våra långdistansrelationer och underhållning, Tekniken förser även proteser med sensorisk feedback och ger telemedicin med en mänsklig beröring.

Kallas för ett "epidermalt VR"-system, enheten kommunicerar beröring genom en snabb, programmerbar uppsättning miniatyrvibrerande ställdon inbäddade i en tunn, mjuk, flexibelt material. De 15-centimeter-x-15-centimeter arkliknande prototyperna lamineras bekvämt på hudens böjda ytor utan skrymmande batterier och besvärliga kablar.

"Folk har övervägt detta övergripande koncept tidigare, men utan en tydlig grund för en realistisk teknik med rätt uppsättning egenskaper eller rätt form av skalbarhet. Tidigare konstruktioner involverar manuella monteringar av ställdon, ledningar, batterier och kombinerad intern och extern kontrollhårdvara, " sa Northwesterns John A. Rogers, en pionjär inom bioelektronik. "Vi utnyttjade vår kunskap inom töjbar elektronik och trådlös kraftöverföring för att sätta ihop en överlägsen samling av komponenter, inklusive miniatyriserade ställdon, i en avancerad arkitektur designad som en bärbar enhet med hudgränssnitt – nästan utan några hinder för användaren. Vi känner att det är en bra utgångspunkt som kommer att skalas naturligt till hela kroppens system och hundratals eller tusentals diskreta, programmerbara ställdon."

"Vi utökar gränserna och möjligheterna för virtuell och förstärkt verklighet, " sa Northwesterns Yonggang Huang, som ledde forskningen tillsammans med Rogers. "Jämfört med ögonen och öronen, huden är ett relativt underutforskat sensoriskt gränssnitt som kan förbättra upplevelserna avsevärt."

Forskningen kommer att publiceras den 21 november i tidskriften Natur .

Rogers är Louis Simpson och Kimberly Querrey professor i materialvetenskap och biomedicinsk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering, professor i neurologisk kirurgi vid Feinberg School of Medicine och chef för Center for Bio-integrated Electronics.

Huang är Walter P. Murphy-professor i civil- och miljöteknik och professor i maskinteknik i McCormick.

Xinge Yu, en före detta postdoktor i Rogers laboratorium och nuvarande biträdande professor vid City University of Hong Kong, var tidningens första författare.

Hur det fungerar

Rogers och Huangs mest sofistikerade enhet innehåller en distribuerad uppsättning av 32 individuellt programmerbara, ställdon i millimeterskala, som var och en genererar en diskret känsel på en motsvarande plats på huden. Varje ställdon ger starkast resonans vid 200 cykler per sekund, där huden uppvisar maximal känslighet.

"Vi kan justera frekvensen och amplituden för varje ställdon snabbt och i farten genom vårt grafiska användargränssnitt, "Sade Rogers. "Vi skräddarsydda designen för att maximera den sensoriska uppfattningen av den vibrationskraft som levereras till huden."

Plåstret ansluts trådlöst till ett pekskärmsgränssnitt (på en smartphone eller surfplatta). När en användare rör vid pekskärmen, det mönstret av beröring överförs till plåstret. Om användaren ritar ett "X"-mönster på pekskärmen, till exempel, enheterna producerar ett sensoriskt mönster, samtidigt och i realtid, i form av ett "X" genom det vibrerande gränssnittet till huden.

Vid videochatt från olika platser, vänner och familjemedlemmar kan nå ut och praktiskt taget röra varandra – med försumbar tidsfördröjning och med tryck och mönster som kan styras via pekskärmsgränssnittet.

"Du kan föreställa dig att avkänning av virtuell beröring under ett videosamtal med din familj kan bli allestädes närvarande inom en överskådlig framtid, " sa Huang.

Ställdonen är inbäddade i en naturligt mjuk och lätt klibbig silikonpolymer som fäster på huden utan tejp eller remmar. Trådlös och batterifri, enheten kommunicerar genom NFC-protokoll (närfältskommunikation), samma teknik som används i smarta telefoner för elektroniska betalningar.

"Med detta trådlösa energileveransschema, vi undviker helt behovet av batterier, med sin vikt, storlek, bulk och begränsad livslängd, " sa Rogers. "Resultatet är en tunn, lättviktssystem som kan bäras och användas utan begränsningar, obegränsat."

Veteran beskriver vikten av sensorisk feedback

Alla kan föreställa sig hur den här typen av teknik skulle kunna kombineras med ett VR-headset för att skapa mer interaktiva och uppslukande spel- eller underhållningsupplevelser. Men för den amerikanska arméns veteran Garrett Anderson, epidermal VR kan ge en välbehövlig lösning på ett verkligt problem.

Klockan 04.00 den 15 oktober, 2005, Anderson hamnade i ett bakhåll under sin utplacering i Irakkriget och förlorade sin högra arm strax under armbågen.

"En bomb exploderade under min lastbil, ", sa Anderson. "Det blåste ut hela motorn ur fordonet. Sedan kom splitter genom fordonet och skar av min arm, som hängde i senor."

Anderson testade nyligen Northwesterns system, integrerad med sin armprotes. När han bär plåstret på överarmen, Anderson kunde känna förnimmelser från hans protetiska fingertoppar överförda till hans arm. Vibrationerna kändes mer eller mindre intensiva, beroende på hur fast hans grepp är.

"Säg att jag tar ett ägg eller något ömtåligt, sa Andersson, som nu är uppsökande koordinator vid University of Illinois' Chez Veterans Center. "Om jag inte kan justera mitt grepp, då kanske jag krossar ägget. Jag behöver veta hur mycket grepp jag använder, så att jag inte skadar något eller någon."

"Jag har aldrig känt dem med min högra arm"

Eftersom personer som har haft amputationer använder enheten, upplevelsen kan bli mer sömlös.

"Användare utvecklar en förmåga att känna beröring vid fingertopparna av sina proteser genom sensoriska ingångar på överarmen, Rogers förklarade. "Övertid, din hjärna kan omvandla känslan på din arm till en surrogatkänsla av känsla i dina fingertoppar. Den lägger till en sensorisk kanal för att återskapa känseln."

Anderson tror att den här enheten potentiellt kan "lura" hans hjärna på ett sätt som lindrar fantomsmärta. Han föreställer sig också att det kan tillåta honom att interagera med sina barn på ett nytt sätt.

"Jag tappade min arm för 15 år sedan, " sa han. "Mina barn är 13 och 10, så jag har aldrig känt dem med min högra arm. Jag vet inte hur det är när de tar tag i min högra hand."

"En utgångspunkt"

Rogers ser den aktuella enheten som en utgångspunkt. "Detta är vårt första försök med ett system av den här typen, " sa han. "Det kan vara väldigt kraftfullt för sociala interaktioner, klinisk medicin och tillämpningar som vi inte kan föreställa oss idag, bortom de uppenbara möjligheterna inom spel och underhållning."

Han och Huang arbetar redan för att göra den nuvarande enheten smalare och lättare. De planerar också att utnyttja olika typer av ställdon, inklusive de som kan ge upphettning och stretching. Med termiska ingångar, till exempel, en person kanske kan känna hur varm en kopp kaffe är genom proteser med fingertoppar.

Northwestern-teamet tror att det övergripande tekniska ramverket kan rymma hundratals ställdon med dimensioner som är betydligt mindre än de som används för närvarande, som har diametrar på 18 millimeter och tjocklekar på 2,5 millimeter.

Så småningom, enheterna kan vara tunna och flexibla nog att vävas in i kläder. Människor med proteser kan bära VR-tröjor som kommunicerar beröring genom fingertopparna. Och tillsammans med VR-headset, spelare kan bära fulla VR-dräkter för att bli helt nedsänkt i fantastiska landskap.

"Virtuell verklighet är ett mycket viktigt framväxande teknikområde, " sa Rogers. "För närvarande, vi använder bara våra ögon och våra öron som grunden för dessa upplevelser. Samhället har varit jämförelsevis långsamt med att utnyttja kroppens största organ:huden. Vårt känselförnimmelse ger den mest djupgående, djupast, känslomässig koppling mellan människor."