Απτικές διεπαφές έξυπνων υλικών: Μελέτη ενεργοποιητών με μορφομνήμονα υλικά

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων & Συστημάτων ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΠΟΥΔΩΝ Απτικές διεπαφές έξυπνων υλικών: Μελέτη ενεργοποιητών με μορφομνήμονα υλικά Δήμητρα Βασιλοπούλου 511/ Επιβλέπων Καθηγητής Παρασκευάς Παπανίκος Μέλη Εξεταστικής Επιτροπής Παναγιώτης Κουτσαμπάσης Νίκος Ζαχαρόπουλος Σύρος Ιούνιος 2013

2 Ευχαριστίες Ευχαριστώ τον επιβλέπων καθηγητή μου Παρασκευά Παπανίκο, για την καθοδήγηση και την βοήθεια που μου προσέφερε στην εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής. Ευχαριστώ επίσης την οικογένειά μου, για την ευκαιρία που μου έδωσαν να σπουδάσω, και την υποστήριξή τους καθ' όλη την διάρκεια των σπουδών μου στην Σύρο. Τέλος να ευχαριστήσω αυτούς που ο καθένας με τον δικό του τρόπο βοήθησαν στην ολοκλήρωση της εργασίας αυτής τον Ευθύμη Φωκά, την Ηρώ Δημητριάδη, την Δάφνη Λασηθιωτάκη, την Έλενα Βασιλοπούλου, την Νατάσα Σπυροπούλου (και τον Ρίκι), τον Μάριο Θεοτοκά, τον Νίκο Τσιόλα, τον Ιάσονα Θεοδωρακόπουλο, την Μαριάνθη Ραυτοπούλου - ενώ θερμά ευχαριστώ και τον κ. Άδωνη και την κα. Βελεστίνου για τα χρόνια που περάσαμε στο νησί. 2

3 Περιεχόμενα 1. Διεπαφές Χρήστη Παραδοσιακές Διεπαφές: Διεπαφή Γραμμής Εντολών Μοντέρνες Διεπαφές: Γραφική Διεπαφή Χρήστη Μη Παραδοσιακές Διεπαφές Απτικές Διεπαφές Χρήστη Περιγραφή Χαρακτηριστικά Εφαρμογές Απτική Τηλεπαρουσία Υλικά στοιχεία με Κινητική μνήμη Δομική Συναρμολόγηση Tokens and Constraints Διαδραστικές επιφάνειες Επιτραπέζιο TUI Συνεχές Πλαστικό TUI Επαυξημένα Καθημερινά Αντικείμενα Περιβάλλοντα Μέσα Διεπαφές Έξυπνων Υλικών Τα Έξυπνα Υλικά Κατηγορίες Μορφομνήμονων Υλικών Ιδιότητες Έξυπνων Υλικών Αλλαγή σχήματος υλικού Η χρήση της αλλαγής σχήματος στις διεπαφές Soft mechanics Ο ρόλος της αλλαγής σχήματος στις διεπαφές Χαρακτηριστικά Διεπαφών με Έξυπνα Υλικά

4 3.2.4 Αλλαγή σχήματος επιφάνειας Χρήση της αλλαγής σχήματος για αλληλεπίδραση Εφαρμογές Απτικές διεπαφές με ενεργοποιητές έξυπνων υλικών Οι διεπαφές τύπου Relief Εφαρμογές Τεχνολογίες Ενεργοποιητών Σενάρια Αλληλεπίδρασης Πρόταση Διεπαφής με SMA Εισαγωγή Προσομοίωση Εφαρμογής Βιβλιογραφία Ευρετήριο Εικόνων

5 Περίληψη Οι εξελίξεις στην τεχνολογία διαρκώς αλλάζουν την ζωή των ανθρώπων, τις δυνατότητες που έχουν και τις πιθανές αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους. Σήμερα η εξέλιξη αυτή γίνεται με ταχύτατους ρυθμούς, με την εμφάνιση νέων υλικών, την ανάπτυξη λογισμικών και την δημιουργία συστημάτων. Μέσα από τις αλληλεπιδράσεις του ανθρώπου με τα εκάστοτε συστήματα της κάθε εποχής, διαφαίνεται η προσπάθεια για δημιουργία συστημάτων, τα οποία θα μπορούν να ενσωματώνονται ομαλά στο περιβάλλον του χρήστη, με μη παρεμβατικό τρόπο, επιτελώντας ακόμα και λειτουργίες οι οποίες δεν θα χρειάζονται την άμεση προσοχή του χρήστη, αλλά θα συμβαίνουν στο παρασκήνιο. Οι διεπαφές χρήστη που ορίζονται ως το σύνολο των στοιχείων ενός υπολογιστικού συστήματος με τα οποία ο χρήστης έρχεται σε επαφή και αλληλεπιδρά, εξελίσσονται και αυτές μαζί με την τεχνολογία που χρησιμοποιούν. Ξεκίνησαν σαν διεπαφές γραμμής εντολών από την δεκαετία του 60 και έχουν φτάσει σήμερα να δέχονται απευθείας ερεθίσματα από τους χρήστες χωρίς συσκευές εισόδου αλλά με την αφή, με το βλέμμα, ενώ πλέον μπορούν να αλληλεπιδρούν σε περιβαλλοντικά ερεθίσματα αυτόνομα χωρίς μηχανικούς ενεργοποιητές με την βοήθεια των έξυπνων υλικών. Η προσθήκη της απτικότητας στις διεπαφές, άνοιξε ένα νέο ορίζοντα στον τρόπο που γίνεται η αλληλεπίδραση με τις υπάρχουσες διεπαφές, και στην απεικόνιση των πληροφοριών. Ενώ η κύρια αλληλεπίδραση των χρηστών με το σύστημα γινόταν με δεικτικές συσκευές και άλλες συσκευές εισόδου, και η επικοινωνία της πληροφορίας κυρίως μέσω γραφικών απεικονίσεων, πλέον εισάγεται το στοιχείο της αφής. Ο χρήστης μπορεί να αγγίζει την διεπαφή και αυτή να αντιδρά στο άγγιγμά του και μόνο. Δημιουργείται έτσι μία αμεσότητα που μοιάζει με της αλληλεπιδράσεις που ο άνθρωπος έχει μάθει ζώντας μέσα στο φυσικό του περιβάλλον. Τα έξυπνα υλικά που έχουν έρθει πρόσφατα στο προσκήνιο του επιστημονικού ενδιαφέροντος, έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται στις διεπαφές χρήστη. Συγκεκριμένα τα μορφομνήμονα υλικά που χρησιμοποιούνται ευρέως, έχουν μοναδικές ιδιότητες, να αλλάζουν το σχήμα τους, ενώ με κατάλληλα εξωτερικά ερεθίσματα να θυμούνται και να μπορούν να επανέλθουν στην αρχική τους μορφή. Η χρήση τους στις διεπαφές εξερευνάται τα τελευταία χρόνια καθώς οι εφαρμογές τους μπορεί να είναι ποικίλες, είτε σαν ενεργοποιητές, είτε σαν αισθητήρες είτε σαν το μέσο απεικόνισης της πληροφορίας. Στην παρούσα εργασία γίνεται αρχικά μία επισκόπηση της εξέλιξης των διεπαφών στην πορεία των χρόνων. Από αυτές μελετώνται εκτενέστερα οι απτικές διεπαφές χρήστη ως οι γενέτειρες ποικίλων καινοτόμων μεθόδων αλληλεπίδρασης και συνολικής σχεδίασης 5

6 συστημάτων, που εξερευνούν και πειραματίζονται με νέες εφαρμογές. Υποκατηγορία των απτικών διεπαφών είναι οι διεπαφές έξυπνων υλικών που αναλύονται στην τρίτη ενότητα της εργασίας αυτής. Παρουσιάζονται τα ονομαζόμενα έξυπνα υλικά και οι ξεχωριστές τους ιδιότητες που καθιστούν δυνατή την χρήση τους στις διεπαφές, αντικαθιστώντας άλλους πολύπλοκους μηχανισμούς ή δημιουργώντας καινούριες δυνατότητες εισόδου/εξόδου από και προς το σύστημα της διεπαφής. Στην τέταρτη ενότητα, παραθέτονται και αναλύεται η λειτουργία διεπαφών τύπου Relief, οι οποίες χρησιμοποιώντας έναν πίνακα από γραμμικές ράβδους δημιουργούν σχηματικές απεικονίσεις διάστασης 2.5D. Τέλος, μελετάται το μοντέλο ενεργοποίησης των διεπαφών με την χρήση έξυπνου υλικού. 6

7 1. Διεπαφές Χρήστη Ορισμοί Η διεπαφή ή διεπιφάνεια χρήστη (User Interface), είναι το σύνολο των στοιχείων ενός υπολογιστικού συστήματος με τα οποία ο χρήστης έρχεται σε επαφή και αλληλεπιδρά. Τέτοια στοιχεία μπορεί να είναι συσκευές εισόδου/εξόδου όπως το πληκτρολόγιο, η οθόνη, οι εντολές και οι χειρισμοί που ο χρήστης μπορεί να εκτελέσει, η οργάνωση της ακολουθίας των ενεργειών του χρήστη και των αποκρίσεων του συστήματος που συνθέτουν το διάλογο μεταξύ χρήστη και συστήματος [1]. Ως Επικοινωνία Ανθρώπου-Μηχανής (Man-Machine Interaction ή Human Machine Interaction) ονομάζεται ο τομέας της επιστήμης που μελετά τις διεπαφές μεταξύ του χρήστη και της μηχανής. Πλέον με την καθιέρωση των υπολογιστών ως την βασική μηχανή που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι στην καθημερινότητά τους, ο όρος έγινε ευρέως γνωστός με την ονομασία Επικοινωνία Ανθρώπου-Υπολογιστή (HCI, Human-Computer Interaction). Η περιοχή της επιστήμης που είναι γνωστή ως Επικοινωνία Ανθρώπου-Υπολογιστή (HCI, Human- Computer Interaction) έχει ως αντικείμενο την μελέτη, το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση Διαδραστικών Υπολογιστικών Συστημάτων (Interactive Computer Systems), δηλαδή συστημάτων που αλληλεπιδρούν σε μεγάλο βαθμό με τους χρήστες τους [2]. Εισαγωγή Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1970, η χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών γινόταν κυρίως από επαγγελματίες της πληροφορικής και της τεχνολογίας και σε ένα μικρό ποσοστό ανθρώπων για ερασιτεχνική ενασχόληση ως χόμπι. Μέσα στην επόμενη δεκαετία, του 1980, έκαναν την εμφάνισή τους οι προσωπικοί υπολογιστές. Με τον προσωπικό υπολογιστή γινόταν κυρίως χρήση διαφόρων λογισμικών, όπως επεξεργαστών κειμένου και λογιστικών φύλλων, καθώς και διαδραστικών παιχνιδιών, ενώ εμπεριείχε και την χρήση λειτουργικών συστημάτων, γλωσσών προγραμματισμού και υλικών εξαρτημάτων(hardware). Αυτό διεύρυνε το απευθυνόμενο κοινό των ηλεκτρονικών υπολογιστών αφού ο καθένας μπορούσε να είναι πιθανός χρήστης του. Ταυτόχρονα όμως φάνηκαν και οι ελλείψεις στην χρηστικότητας που παρείχαν οι τότε υπάρχοντες υπολογιστές, σε εκείνους που ήθελαν να τους χρησιμοποιούν καθημερινά ως εργαλεία [3]. 7

8 Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει μία γενική επισκόπηση των διεπαφών χρηστών. Καταγράφονται κάποια ιστορικά στοιχεία για τις διεπαφές καθώς και η εξελικτική τους πορεία από τις παραδοσιακές διεπαφές γραμμής εντολών στις μοντέρνες διεπαφές γραφικού περιβάλλοντος και τελικά στις μη παραδοσιακές διεπαφές που χρησιμοποιούν διαφορετικές από τις συνηθισμένες συσκευές εισόδου και εξόδου. Οι μη παραδοσιακές διεπαφές είναι μία προσπάθεια εφαρμογής της ιδέας του «πανταχού παρόντος υπολογιστή» δηλαδή ως στόχο έχουν την απομάκρυνση της διάδρασης ανθρώπου-υπολογιστή από τον χώρο του γραφείου, φέρνοντάς την πιο κοντά στην καθημερινή ζωή, έτσι ώστε η παρουσία του υπολογιστή να περνά πλέον απαρατήρητη [4]. 8

9 1.1 Παραδοσιακές Διεπαφές: Διεπαφή Γραμμής Εντολών Η διεπαφή γραμμής εντολών (Command Line Interface, CLIs), ήταν το πρώτο διαδραστικό στυλ διαλόγου που χρησιμοποιήθηκε ευρέως [4]. Το σύστημα αποτελούνταν από οθόνες συνδεδεμένες στην κονσόλα του συστήματος. Δημιουργήθηκε ένα ειδικό λεξιλόγιο κειμένου, που μπορούσε να απευθύνει εντολές στο σύστημα με τη μορφή κειμένου. Η αλληλεπίδραση γινόταν με μία σειρά από ερωτήσεις-αποκρίσεις μεταξύ του συστήματος και του χρήστη, με τους χρόνους ανταπόκρισης από το σύστημα να φτάνουν σε δευτερόλεπτα. Ιστορική Αναδρομή Οι πρώτες διεπαφές γραμμής εντολών στην δεκαετία του 60 συνδύασαν τον τηλέτυπο με τον υπολογιστή. Προσάρμοσαν τον τηλέτυπο που είχε ήδη αποδειχτεί χρήσιμος στην μεταφορά πληροφοριών μέσω καλωδίων, στην καινούρια τεχνολογία [5]. Μέσω του πληκτρολογίου του τηλέτυπου οι χρήστες μπορούσαν να εισάγουν τις εντολές τους [6]. Το μεγάλο πλεονέκτημα του συστήματος αυτού, παρόλο που οικονομικά το εγχείρημα ήταν ασύμφορο, ήταν το γεγονός ότι πολλοί μηχανικοί και άλλοι χρήστες ήταν ήδη εξοικειωμένοι με την χρήση του τηλέτυπου, κάτι που έκανε την μετάβαση στον ηλεκτρονικό υπολογιστή σχετικά εύκολη. Εικόνα 1. ASR-33 Τηλέτυπος [5] 9

10 Στα μέσα της δεκαετίας του 70, υιοθετούνται και καθιερώνονται τα τερματικά με βίντεοοθόνες, και οι διεπαφές γραμμής εντολών περνάνε στην δεύτερη φάση ζωής τους. Οι οθόνες μείωσαν ακόμη περισσότερο τον χρόνο απόκρισης συστήματος αφού η εμφάνιση της πληροφορίας στην οθόνη ήταν πιο γρήγορη απ ότι η εκτύπωσή της στο χαρτί. Μειώθηκε όμως και αισθητά το οικονομικό κόστος καθότι τα μελάνια του εκτυπωτή και το χαρτί δεν ήταν πλέον αναγκαία για την λειτουργία τους. Εικόνα 2. VT100 Τερματικό [5] Με την άμεση ανατροφοδότηση σε πραγματικό χρόνο, το λογισμικό απόκτησε μία διαδραστικότητα που δεν υπήρχε παλιότερα. Το γεγονός όμως ότι ο χρήστης έπρεπε να αφιερώσει πολύ χρόνο και κόπο, για να αποστηθίσει τις απαραίτητες εντολές ώστε να μπορεί να λειτουργήσει το σύστημα, κατέστησε την διεπαφή αυτή μη φιλική προς το χρήστη [5]. Σήμερα, η διεπιφάνεια γραμμής εντολών έχει κυρίως συμπληρωματικό ρόλο. Χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με διεπιφάνειες βασισμένες σε μενού για να παρέχει σε έμπειρους χρήστες ταχύτερη πρόσβαση στις λειτουργίες του συστήματος [4]. 10

11 1.2 Μοντέρνες Διεπαφές: Γραφική Διεπαφή Χρήστη Η γραφική διεπαφή χρήστη (Graphical User Interface, GUI) αναπαριστά την πληροφορία μέσω των pixels στις οθόνες. Η διεπιφάνεια αυτή παρέχει γραφικές αναπαραστάσεις, που διαχειρίζονται μέσω απομακρυσμένων τηλεχειριστηρίων όπως πληκτρολόγια, ποντίκια, οθόνες επαφής κ.τ.λ. Με την γραφική αναπαράσταση λειτουργιών και αντικειμένων του συστήματος, ο χρήστης έχει την αμεσότητα να κάνει χειρισμούς απευθείας πάνω σε αυτό που βλέπει. Αυτό καθιστά τα γραφικά περιβάλλοντα χρήστη πολύ πιο εύκολα και φιλικά στη χρήση σε σύγκριση με τον προκάτοχό τους, δηλαδή τις διεπαφές με γραμμή εντολών, όπου ο χρήστης έπρεπε να θυμάται το ειδικό λεξιλόγιο εντολών και να τις πληκτρολογεί [7]. Η γραφική διεπαφή χρήστη βασίζεται στο στυλ διεπιφάνειας WIMP (Windows, Icons, Menus, Pointer) που αποκαλείται και «παραθυρικό σύστημα», και χρησιμοποιείται στην πλειονότητα των διαδραστικών υπολογιστικών συστημάτων σήμερα, κυρίως στον χώρο των προσωπικών υπολογιστών και των σταθμών εργασίας. Τα αντικείμενα των διεπιφανειών WIMP ονομάζονται και widgets (επινοήματα, τεχνάσματα) [4]. Ιστορική Αναδρομή Πρώτος ο Ivan Sutherland ήταν αυτός που στην διδακτορική του διατριβή το 1963 στο MIT, εισήγαγε εικονικά αντικείμενα στην οθόνη τα οποία μπορούσε να χειριστεί μέσω μίας συσκευής κατάδειξης. Δημιούργησε το SketchPad, που χειριζόταν αντικείμενα που ήταν ορατά στην οθόνη με μία φωτεινή πένα (light-pen, συσκευή εισόδου σε μορφή στυλό που χρησιμοποιεί έναν ενσωματωμένο, ευαίσθητο στο φως ανιχνευτή). Μπορούσε μεταξύ άλλων να επιλέξει τα αντικείμενα, να τα μετακινήσει και να αλλάξει το μέγεθός τους. To «Reaction Handler», το οποίο δημιουργήθηκε στο Imperial College, στο Λονδίνο ( ) από τον William Newman, παρείχε άμεσο χειρισμό των γραφικών της οθόνης και εισήγαγε τα "Light Handles", μία μορφή γραφικού ποτενσιόμετρου, που ίσως ήταν το πρώτο widget. Άλλη αρχική μορφή διεπαφής με γραφικό περιβάλλον ήταν το σύστημα AMBIT/G που δημιουργήθηκε στο εργαστήριο Lincoln Labs, του MIT, το Οι τεχνικές που χρησιμοποιούσε για αλληλεπίδραση με την διεπαφή ήταν εικονικές αναπαραστάσεις, αναγνώριση χειρονομιών, δυναμικά μενού όπου η επιλογή γινόταν με κάποια δεικτική συσκευή, και άλλες ποικίλες μέθοδοι αλληλεπίδρασης. 11

12 Την δεκαετία του 1970, στην Xerox PARC, ερευνήθηκαν πολλές από τις δημοφιλείς τεχνικές στις διεπαφές απευθείας αλληλεπίδρασης, όπως ο τρόπος που επιλέγεται, ανοίγει ή διαχειρίζεται το κείμενο [8]. Ο Xerox Star 8010 ήταν ο πρώτος υπολογιστής εμπορικής χρήσης, που είχε ενσωματώσει το ποντίκι, και την οθόνη αναπαράστασης γραφικών με φακέλους και εικονίδια. Οι τεχνολογίες αυτές αρχικά δημιουργήθηκαν για ένα πειραματικό σύστημα το επονομαζόμενο Alto, στα εργαστήρια της Xerox Palo Alto Research Center (PARC). Η χρήση τους προοριζόταν για επιχειρήσεις και το κόστος τους ήταν αρκετά μεγάλο [6]. Εικόνα 3. Xerox [6] Κατά την δεκαετία του 80 η εταιρεία Apple Macintosh ήταν αυτή που ανάπτυξε τον πρώτο υπολογιστή προορισμένο για ευρεία κατανάλωση, που είχε ενσωματωμένο ασπρόμαυρο γραφικό περιβάλλον και ποντίκι για την τοποθέτηση του κέρσορα στην οθόνη [6]. Στο λεγόμενο «messy desktop», τα αρχεία και οι φάκελοι αναπαριστάνονταν ως εικονίδια διασκορπισμένα στην οθόνη, με τα οποία ο χρήστης μπορούσε να αλληλεπιδράσει με διάφορους τρόπους π.χ. κάνοντας κλικ, σέρνοντας τα στην επιφάνεια εργασίας του, κ.τ.λ. Το messy desktop αποτέλεσε την απαρχή της διεπαφής γραφικού περιβάλλοντος χρηστών με την εικονική αναπαράσταση αρχείων και λειτουργιών [3]. 12

13 Εικόνα 4. Το πρώτο γραφικό περιβάλλον της Macintosh. Έγγραφα και λειτουργίες αναπαριστούνται με την μορφή εικονιδίων που προβάλονται στην οθόνη [3]. Όπως αναφέρθηκε η γραφική διεπαφή χρήστη βασίζεται στο στυλ διεπιφάνειας WIMP. Παρακάτω περιγράφονται τα βασικότερα αντικείμενα της λειτουργίας τους, από τα αρχικά των οποίων έχουν ονομαστεί. Παράθυρα (Windows) Όσον αφορά τα παράθυρα, αυτά αναδείχθηκαν στο «NLS» σύστημα υπολογιστών του Douglas C. Engelbart το Έρευνες που γίνονταν στο Stanford πάνω στο COPILOT (1974), καθώς και στο MIT πάνω στον επεξεργαστή κειμένου EMACS (1974), επίσης είχαν αναδείξει τα πλακίδια παραθύρων. Τα παράθυρα είναι περιοχές στην οθόνη οι οποίες συμπεριφέρονται σαν ανεξάρτητα τερματικά. Ένα παράθυρο μπορεί να περιέχει κείμενο ή γραφικά και μπορεί να αλλάζει την θέση και το μέγεθός του. Εάν ένα παράθυρο τοποθετηθεί πάνω σε ένα άλλο, επισκιάζει εν μέρει ή ολοκληρωτικά το πίσω παράθυρο, του οποίου η εμφάνιση ανανεώνεται όταν ξαναγίνει ορατό στην οθόνη [4]. Ο Alan Kay πρότεινε την ιδέα των επικαλυπτόμενων παραθύρων το 1969 στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα στην Διδακτορική του διατριβή και η ιδέα εφαρμόστηκε για πρώτη φορά το

14 στο σύστημα Smalltalk του Xerox PARC, και αμέσως μετά, στο σύστημα InterLisp. Τα πιο εμπορικά συστήματα που γνωστοποίησαν τα παράθυρα ήταν η Xerox Star (1981), η Apple Lisa (1982), και το πιο σημαντικό η Apple Macintosh (1984) [8]. Εικονίδια (Icons) Ο David Canfield Smith ήταν αυτός που το 1975 εισήγαγε τον όρο «εικονίδια» στην Διδακτορική του διατριβή Pygmalion στο πανεπιστήμιο του Stanford. Αργότερα εργαζόμενος ως επικεφαλής σχεδιαστής στην εταιρεία Xerox, πάνω στον υπολογιστή Xerox Star, διέδωσε τον όρο και τη χρήση των εικονιδίων [8]. Τα εικονίδια είναι μικρές εικόνες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση ενός ελαχιστοποιημένου, κλειστού παραθύρου. Μέσω των εικονιδίων μπορούν να είναι ταυτόχρονα διαθέσιμα στην οθόνη πολλαπλά παράθυρα, τα οποία μπορούν να επεκταθούν στο πραγματικό τους μέγεθος όταν ο χρήστης επιλέξει το αντίστοιχο εικονίδιο. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση και άλλων απόψεων του συστήματος για παράδειγμα ένα εικονίδιο κάδου απορριμμάτων μπορεί να αντιπροσωπεύει την λειτουργία διαγραφής αρχείων [4]. Δείκτες (Pointers) Ο δείκτης είναι υπεύθυνος για την ένδειξη και την επιλογή των αντικειμένων. Εμφανίζεται στην οθόνη και ελέγχεται από τον χρήστη μέσω της εκάστοτε συσκευής εισόδου όπως το ποντίκι ή το joystick κ.α. Μπορεί να πάρει διάφορες μορφές ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας στην οποία βρίσκεται. Η πιο συνηθισμένη δεικτική συσκευή σήμερα είναι το ποντίκι. Το ποντίκι έχει γίνει ένα ζωτικής σημασίας συστατικό για την πλειονότητα των προσωπικών υπολογιστών και των γενικής χρήσης σταθμών εργασίας που πωλούνται σήμερα [4]. Αυτό αναπτύχθηκε στο Stanford Research Laboratory το 1965, με την χρηματοδότηση των ARPA, NASA, και Rome ADC, με σκοπό να αντικαταστήσει την συσκευή εισόδου της φωτεινής πένας (ιχνογραφίδα) που χρησιμοποιούταν από το Το ποντίκι έγινε γνωστό εμπορικά από την εταιρεία Xerox PARC η οποία το χρησιμοποίησε σαν την συσκευή εισόδου στον Xerox Star που κυκλοφόρησε το 1981, και ακολούθησαν οι Three Rivers Computer Company's PERQ (1981), Apple Lisa (1982), Apple Macintosh (1984) [8]. 14

15 Εικόνα 5. Το πρώτο ποντίκι [9]. Μενού (Menu) Το μενού είναι μία τεχνική διάδρασης η οποία παρουσιάζει στον χρήστη μία ποικιλία λειτουργιών ή υπηρεσιών οι οποίες μπορούν να εκτελεστούν από το σύστημα σε μία δεδομένη στιγμή. Τα μενού παρέχουν πληροφορίες με την μορφή μίας διατεταγμένης λίστας στοιχείων τα οποία μπορεί να εξετάζει και να επιλέγει ο χρήστης. Η επιλογή από το μενού γίνεται με την χρήση μίας δεικτικής συσκευής όπως του ποντικιού ή με το πάτημα κάποιου πλήκτρου του πληκτρολογίου [4]. Μειονεκτήματα Το γραφικό περιβάλλον χρήστη όσο ισχυρό και αν έχει αποδειχτεί στη διάρκεια των χρόνων, πάντα θα υστερεί καθώς αδυνατεί να συμπεριλάβει τις δυνατότητες που διαθέτει ο άνθρωπος στην αλληλεπίδραση του με το περιβάλλον. Η συσκευή εξόδου στις γραφικές διεπαφές είναι κατά βάση οι οθόνες [7]. Τα GUI επομένως δεν μπορούν να αξιοποιήσουν ικανότητες που έχει ο άνθρωπος μέσα από την αλληλεπίδραση με τον πραγματικό χώρο στον οποίο ζει [10]. Αυτές οι ικανότητες περιλαμβάνουν την αίσθηση του περιβάλλοντος χώρου, τις δεξιότητες για τον χειρισμό του και την πλοήγησή τους μέσα σε αυτό, την αίσθηση του σώματός τους και τις δεξιότητες ελέγχου και συντονισμού του, την αίσθηση άλλων ατόμων μέσα στον χώρο και την ικανότητα για αλληλεπίδραση μαζί τους [11]. Είναι πλέον αισθητή ή ανάγκη για ένα καινούριο είδος διεπαφών, στο οποίο η αλληλεπίδραση του χρήστη με το σύστημα θα μοιάζει περισσότερο με αυτήν που έχει με τον μη εικονικό, τον πραγματικό κόσμο. Τέτοιες είναι και οι διεπαφές που παρουσιάζονται στη συνέχεια που εδώ αναφέρονται ως μη παραδοσιακές διεπαφές. 15

16 1.3 Μη Παραδοσιακές Διεπαφές Φυσικές Διεπαφές Οι Φυσικές Διεπαφές Χρήστη (Natural User Interfaces, NUI), όπως έγιναν ευρέως γνωστές, είναι ένα σύστημα αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή που επιτρέπει στον χρήστη να αλληλεπιδρά με φυσικές κινήσεις του σώματος, του προσώπου ή χειρονομίες, δηλαδή ενέργειες που είναι διαισθητικές και ο χρήστης δεν χρειάζεται να διδαχθεί. Οι εξελίξεις που έγιναν στο μέγεθος, στη δύναμη, και στο κόστος των μικροεπεξεργαστών, στις μνήμες, στις κάμερες, και σε άλλες αισθητήριες συσκευές, βοήθησαν στην εδραίωση των διεπαφών αυτών και άλλαξαν τους κανόνες που ίσχυαν στον τρόπο αλληλεπίδρασης μεταξύ ανθρώπου-μηχανής [12]. Αυτό που ξεχωρίζει τις διεπαφές αυτές είναι η έλλειψη απτικής ενέργειας ως είσοδος. Ένα απλό παράδειγμα είναι τα φώτα με αισθητήρες που ενεργοποιούνται από την ανθρώπινη κίνηση για ανάψουν ή να κλείσουν. Μερικές από τις μεθόδους που χρησιμοποιούν τα NUI παραθέτονται παρακάτω [13]: Οθόνες επαφής Οι οθόνες επαφής είναι μία μέθοδος η οποία επιτρέπει στον χρήστη να δείχνει και να επιλέγει αντικείμενα στην οθόνη [4]. Επιτρέπουν στους χρήστες μία πιο άμεση αλληλεπίδραση από αυτήν των δεικτικών συσκευών όπως το ποντίκι. Μπορούν να αγγίζουν απευθείας την γραφική αναπαράσταση για να ενεργούν, παρά να πρέπει να την επιλέξουν με μία δεικτική συσκευή. Συστήματα αναγνώρισης χειρονομιών Τέτοια συστήματα μπορούν να ανιχνεύουν την κίνηση του χρήστη και να μεταφράζουν την κίνηση αυτή σε οδηγίες. Για παράδειγμα ένα χειριστήριο όπως αυτό του Nintendo το «Wii», διαθέτει ενσωματωμένα επιταχυνσιόμετρα και γυροσκόπια, που μπορούν να ανιχνεύσουν την κλίση, περιστροφή και επιτάχυνση του χεριού ή του σώματος μεταφράζοντας τα ανάλογα σήματα στο παιχνίδι. Τέτοια συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και στην αλληλεπίδραση με υπολογιστές. Φωνητική αναγνώριση Η φωνητική αναγνώριση επιτρέπει στους χρήστες να δίνουν εντολές μέσω της ομιλίας τους. Το σύστημα μπορεί να μετατρέψει την ομιλία σε μορφή που να αναγνωρίζεται από το σύστημα. Κάποια παραδείγματα είναι οι εφαρμογές 16

17 φωνητικής υπαγόρευσης που μετατρέπουν τα λόγια σε κείμενο, ή εφαρμογές κινητών τηλεφώνων όπου μπορεί να πραγματοποιηθεί κλήση επαφής «μιλώντας» στην συσκευή. Καταδίωξη Βλέμματος Η καταδίωξη βλέμματος είναι μία μέθοδος, που κατευθύνει το σύστημα και τις ενέργειες παρακολουθώντας τις κινήσεις των ματιών. Η μέθοδος αυτή βρίσκει χρήση και από άτομα με κινητικές δυσκολίες. Διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή Οι διεπαφές αυτές βασίζονται στα εγκεφαλικά κύματα ώστε να βοηθήσουν άτομα με σοβαρές κινητικές παθήσεις να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους [14]. Ιστορική Αναδρομή Οι χειρονομίες ήταν κομμάτι των διεπαφών για πολλά χρόνια. Αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά σε εμπορικά συστήματα για σχεδιασμό υποβοηθούμενο από υπολογιστή και στο «Apple Newton» το Μία πολύ παλιά εφαρμογή NUI είναι το Θέρεμιν(Theremin). Το Θέρεμιν, ένα ηλεκτρονικό όργανο ο χειρισμός του οποίου γίνεται με χειρονομίες και κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από έναν Ρώσο εφευρέτη από το 1928 [12]. Εικόνα 6. Το μουσικό όργανο Θέρεμιν (Theremin) 17

18 Απτικές Διεπαφές Χρήστη Οι απτικές διεπαφές χρηστών (Tangible User Interface, TUI), έχουν προσελκύσει σημαντικά την προσοχή τα τελευταία χρόνια. Το TUI, επωφελείται των απτικών ικανοτήτων των ανθρώπων, και προσπαθεί να αποδώσει σε φυσικές μορφές την ψηφιακή πληροφορία. Στόχος είναι η ψηφιακή πληροφορία να ενσωματωθεί στον φυσικό περιβάλλον με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι άμεσα διαχειρίσιμη με τα χέρια και αντιληπτή με τις περιφερειακές αισθήσεις του χρήστη [10]. Αυτή η ενσωμάτωση γίνεται με δύο τρόπους. Τα φυσικά αντικείμενα μπορούν να χρησιμοποιούνται ως αναπαραστάσεις των ψηφιακών πληροφοριών και των υπολογιστικών λειτουργιών. Δεύτερον, τα φυσικά αντικείμενα μπορούν να χρησιμοποιούνται ως χειριστήρια για να αλληλεπιδρούν με τα υπολογιστικά συστήματα [15]. Η επιτυχία των TUI βασίζεται στην ισορροπία μεταξύ των απτών και των άυλων αναπαραστάσεων. Αυτά πρέπει να είναι συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτευχθεί μία ομοιογενής διεπαφή στην οποία δεν θα είναι διακριτά τα όρια μεταξύ του πραγματικού και του ψηφιακού. Επομένως ο συγχρονισμός της εισόδου και εξόδου σε πραγματικό χρόνο, παίζουν μεγάλο ρόλο για την επιτυχία των απτικών διεπαφών [7]. Ιστορική Αναδρομή Στα μέσα της δεκαετίας του 90, οι γραφικές διεπαφές εξελίχθηκαν στις απτικές διεπαφές χρήστη. Οι απτικές διεπαφές υλοποιούσαν το όραμα του Mark Weiser (πρώην επικεφαλής επιστήμονας στο Xerox PARC), το οποίο ήθελε την ψηφιακή τεχνολογία ενσωματωμένη μέσα στον φυσικό κόσμο με τέτοιο τρόπο ώστε να ήταν όσο γίνεται πιο διακριτική χωρίς να εισβάλει στην καθημερινή ζωή του χρήστη [10]. Ο Fitzmaurice ήταν ένας από τους πρώτους που ξεχώρισαν τις απτικές διεπαφές από τις υπόλοιπες και τους έδωσε την αρχική ονομασία χειροπιαστές διεπαφές (Graspable User Interface). Σύμφωνα με τον ορισμό του Fitzmaurice, οι χειροπιαστές διεπαφές είναι «μία φυσική λαβή σε μία εικονική λειτουργία, όπου η φυσική λαβή εξυπηρετεί ως ένας ειδικός χειριστής λειτουργιών». Ο Ishii και ο Ullmer ήταν αυτοί που τελικά καθιέρωσαν τον όρο TUI, Απτικές Διεπαφές Χρήστη και τις περιέγραψαν ως «συσκευές που δίνουν φυσική μορφή στις ψηφιακές πληροφορίες, χρησιμοποιώντας φυσικά αντικείμενα ως αναπαραστάσεις και ως χειριστήρια ελέγχου υπολογιστικών δεδομένων» [16]. 18

19 Εικόνα 7. Η Εξέλιξη της αλληλεπίδρασης με τις διεπαφές. Από την γραμμή εντολών, στον απευθείας χειρισμό, στις ποικίλες μορφές αναδυόμενης αλληλεπίδρασης [11]. Ένα από τα πρώτα παραδείγματα για το πως θα μπορούσε να διασυνδεθεί ο ψηφιακός με τον πραγματικό κόσμο, βρίσκεται στον σχεδιασμό του τηλεφωνητή «Marble answering machine», που σχεδιάστηκε από τον Durrell Bishop όσο φοιτούσε στο Royal College of Art. Η ιδέα διαμορφώθηκε, διερευνώντας τρόπους που θα μπορούσαν να ενσωματώσουν τον υπολογιστή σε καθημερινά αντικείμενα [17]. Η εικόνα 8 παρουσιάζει τις λειτουργίες του. Όταν κάποιος αφήσει ένα καινούριο μήνυμα τότε ένας βώλος βγαίνει και τοποθετείται στο σημείο Α. Ο χρήστης μπορεί να πάρει τον βώλο και να τον τοποθετήσει στο σημείο Β ώστε να ακούσει το καινούριο μήνυμα του τηλεφωνητή. Τέλος μπορεί να διαγράψει το μήνυμα τοποθετώντας τον βώλο στο σημείο C [18]. Εικόνα 8. Ο τηλεφωνητής «Marble answering machine». Α. Πάρε τα καινούρια μηνύματα Β. Παίξε τα καινούρια μηνύματα C. Ανακύκλωσε τα παλιά μηνύματα 19

20 Ο καθηγητής Ishii ήταν από τους πρώτους επιστήμονες που κατάφερε να σχεδιάσει υπολογιστές απόλυτα ενσωματωμένους στο φυσικό περιβάλλον του χρήστη. Στα μέσα της δεκαετίας του 90, η ερευνητική του ομάδα σχεδίασε το «PingPongPlus», στα εργαστήρια του MIT (Massachusetts Institute of Technology). Αυτό αποτελούνταν από ένα τραπέζι πινγκπονγκ και μία βίντεο-προβολή νερού μέσα στο οποίο κολυμπούσαν ψάρια. Με σένσορες τοποθετημένους στο τραπέζι, μπορούσε να εντοπίσει την θέση της μπάλας κάθε φορά που αυτή χτυπούσε πάνω στην επιφάνεια του τραπεζιού. Τότε η προβολή άλλαζε και απεικόνιζε κυματισμούς στο νερό προερχόμενους από το σημείο πρόσκρουσης καθώς και τα ψάρια που κολυμπούσαν στην περιοχή να διασκορπίζονται. Η συνδυασμένη χρήση της ψηφιακής προβολής, με ένα φυσικό αντικείμενο που χρησιμοποιείτο ως συσκευή εισόδου (μπαλάκι), ενσωμάτωσε απτικά και ψηφιακά στοιχεία σε ένα παιχνίδι με φυσική υπόσταση, χωρίς να επηρεάσει αρνητικά ούτε την ταχύτητα ούτε την φυσικότητα του παιχνιδιού [19]. Εικόνα 9. PingPongPlus Μειονεκτήματα Παρόλο που η απτή αναπαράσταση επιτρέπει την ενσωμάτωση ψηφιακής πληροφορίας στο φυσικό περιβάλλον, υστερεί να αποδώσει την αλλαγή στις φυσικές και υλικές ιδιότητες του αντικειμένου. Σε αντίθεση με τις γραφικές διεπαφές που μέσω των pixel της οθόνης μπορούν να αποδώσουν την αλλαγή αλλάζοντάς χρώμα, σχήμα, θέση, οι απτικές διεπαφές δεν μπορούν να κάνουν το ίδιο με τις ιδιότητες των φυσικών αντικειμένων σε πραγματικό χρόνο. Αυτό μπορεί να κάνει τις απτικές διεπαφές ασυνεπείς σαν συσκευές εξόδου. 20

21 Οι απτικές διεπαφές αποτελούν μία μεγάλη κατηγορία διεπαφών που περικλείει μικρότερα είδη, και υποκατηγορίες διεπαφών όπως είναι οι κινητικές διεπαφές, οι οργανικές διεπαφές, οι διεπαφές με έξυπνα υλικά κ.ο.κ. Οι εφαρμογές των απτικών διεπαφών ακόμα και σε πειραματικό επίπεδο, ενσωματώνουν συστήματα και τεχνολογίες, που δημιουργούν ένα ενδιαφέρον σύνολο αλληλεπιδράσεων μεταξύ του χρήστη και της διεπαφής ικανό να βελτιώσει σημαντικά την εμπειρία χρήστη, και να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι διεπαφές ενσωματώνονται στο περιβάλλον του. Για αυτό το λόγο γίνεται περαιτέρω μελέτη των απτικών διεπαφών στο δεύτερο κεφάλαιο και παρουσιάζονται οι κυριότερες εφαρμογές τους. Οργανικές Διεπαφές Χρηστών Οι οργανικές διεπαφές χρηστών (Organic User Interfaces, OUI) είναι ένα είδος διεπαφών που μπορούν να αλλάξουν ενεργητικά ή παθητικά το σχήμα τους μέσω αναλογικών φυσικών μεθόδων εισόδου. Ο όρος οργανικές χρησιμοποιείται λόγω της καινούριας τεχνολογίας των οργανικών ηλεκτρονικών που είναι υπεύθυνη για σημαντικές εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα, αλλά και λόγω ότι αντλούν την έμπνευσή τους από οργανικά σχήματα που συναντάμε στην φύση γύρω μας, με ιδιότητες ευελιξίας αλλά ταυτόχρονα αξιοπιστίας και ανθεκτικότητας. Οι διεπαφές αυτές προσπαθούν να δημιουργήσουν συστήματα ευέλικτα σαν να ήταν οργανικά από την φύση τους [20]. Παρακάτω αναφέρονται τρείς αρχές που διέπουν τον σχεδιασμό οργανικών διεπαφών [19]: Οι συσκευές εισόδου και εξόδου ταυτίζονται Η αλληλεπίδραση με τα φυσικά αντικείμενα δεν διαχωρίζει το μέσο της ενέργειας που γίνεται σε αυτά από το μέσο του αποτελέσματος της ενέργειας. Στις γραφικές διεπαφές, υπήρχε ο διαχωρισμός μεταξύ συσκευών εισόδου και εξόδου. Για παράδειγμα το ποντίκι δεν ήταν ταυτόχρονα και η επιφάνεια απεικόνισης. Αυτό δεν συμβαίνει όμως στα φυσικά αντικείμενα. Ένα χαρτί μπορεί να διαβαστεί αλλά και να διπλωθεί, να πεταχτεί κ.τ.λ. Μία τέτοια ταύτιση των συσκευών εισόδου και εξόδου μπορεί να επιτευχθεί με τον χειρισμό με πολλαπλά δάχτυλα και των δύο χειρών, σε συνδυασμό με αντίστοιχες οπτικές, απτικές και ακουστικές αναπαραστάσεις. Το ίδιο μέσο που γίνεται η οπτική απεικόνιση μπορεί να αντιληφθεί το ίδιο του το σχήμα ως είσοδο καθώς και τις δυνάμεις που ασκούνται πάνω του. Στις οργανικές διεπαφές 21

22 μία τέτοια είσοδος, δεν είναι διακριτή από την απεικόνιση που χρησιμοποιείται ως έξοδος. Οι χρήστες μπορούν να αγγίξουν κάτι και η παραμόρφωση που θα προκαλέσουν να εμφανιστεί και στην γραφική απεικόνιση. Η λειτουργία ταυτίζεται με την φόρμα Στις οργανικές διεπαφές η μορφή ενός αντικειμένου καθορίζει και τις ενέργειες που μπορούν να γίνουν σε αυτό. Είναι δηλαδή μία φυσική αναπαράσταση των ενεργειών. Για παράδειγμα, όταν κάποιος σηκώσει μία συσκευή τότε αυτή ενεργοποιείται σαν συσκευή εισόδου. Αν την περιστρέψει, αλλάζει την απεικόνιση από οριζόντια (τοπίο) σε κάθετη (πορτρέτο), αν λυγίσει την πάνω αριστερή γωνία, η σελίδα κατεβαίνει προς τα κάτω ενώ αν λυγίσει την πάνω δεξιά, τότε η σελίδα ανεβαίνει προς τα πάνω και ούτω καθεξής. Η φόρμα ακολουθεί την ροή Οι οργανικές διεπαφές αλλάζουν την φόρμα τους για να ταιριάξουν καλύτερα σε διαφορετικά περιβάλλοντα χρήσης. Το σχήμα τους είναι ρευστό ώστε να ακολουθεί τις δραστηριότητες του χρήστη, όπως για παράδειγμα τα κινητά τηλέφωνα με αναδιπλούμενο πορτάκι. Το άνοιγμα του ενεργοποιεί την συσκευή, ενώ το κλείσιμο τερματίζει μία κλήση, απενεργοποιεί τα πλήκτρα και προστατεύει την οθόνη. Όπως ένα ένδυμα που ταιριάζει στο σώμα, ακολουθεί τις κινήσεις του και μπορεί να παραμορφώνεται, έτσι και η φόρμα πρέπει να αλλάζει ακολουθώντας την εκάστοτε αλλαγή της δραστηριότητας. Το «Moldable Mouse» που φαίνεται στην εικόνα 10 είναι ένα παράδειγμα φόρμας που προσαρμόζεται στο σχήμα του χεριού. Φτιαγμένο από πλαστελίνη επικαλυμμένη με μη-τοξική πολυουρεθάνη, με την μεγάλη ευπλαστότητά του μειώνει τον κίνδυνο κακώσεων που προκαλούνται λόγω επαναλαμβανόμενης καταπόνησης του καρπού από την χρήση του ποντικιού. 22

23 Εικόνα 10. Ποντίκι Moldable Mouse [19] Ιστορική Αναδρομή Τρεις σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις ήταν αυτές που επέτρεψαν την ανάπτυξη των οργανικών διεπαφών χρηστών. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία των ευέλικτων συσκευών εισόδου, το ηλεκτροφορητικό μελάνι (E-Ink), και τα έξυπνα υλικά. Το έργο του Jun Rekimoto, «SmartSkin» ήταν από τις πρώτες μελέτες που δημιούργησαν ευέλικτες συσκευές εισόδου επιτρέποντας πλέον σε κάθε επιφάνεια να αναγνωρίζει ως είσοδο την ενέργεια και των δύο χειρών και πολλαπλών δακτύλων ταυτόχρονα. Ο Grossman T. (Sr.Principal Research Scientist στην Autodesk Research), με το ShapeTape, που αποτελείτο από οπτικές ίνες που ανιχνεύουν κάμψη, κατάφερε να αποδώσει τον σχεδιασμό τριών διαστάσεων, με άμεση, πραγματική αναπαράσταση σχήματος. 23

24 Εικόνα 11. ShapeTape. Ευέλικτη συσκευή εισόδου με οπτικές ίνες που μπορεί να ανιχνεύει την κάμψη Το ηλεκτροφορητικό μελάνι e-ink δημιουργήθηκε στο πανεπιστήμιο του MIT. Οι οθόνες από e-ink αντανακλούν το φως απευθείας από το περιβάλλον τους, και ως εκ τούτου είναι πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικές από ό, τι οι οθόνες LCD. Έτσι ξεκίνησαν και εταιρείες όπως η Philips να μελετούν τον σχεδιασμό υποστρωμάτων των οθονών από εύκαμπτα πολυμερή. Η προαναφερθείσα δημιούργησε το «Readius», το πρώτο smartphone με αναδιπλούμενη ηλεκτροφορητική οθόνη, που μπορεί δηλαδή να τυλίγεται στο σχήμα του τηλεφώνου. Ακολούθησε και η εταιρεία Sony η οποία παρουσίασε την πρώτη έγχρωμη ευέλικτη οργανική LED οθόνη, το μέγεθος της οποίας δεν ξεπερνούσε αυτό ενός ρολογιού χειρός. Σημαντική εξέλιξη ήταν αυτή στην κατεύθυνση των έξυπνων υλικών. Τα υλικά αυτά που μπορούν να αλλάζουν και να προσαρμόζονται σε περιβαλλοντολογικά ερεθίσματα, σήμαναν μία νέα εποχή, όπου οι υπολογιστές θα μπορούν να αλλάζουν το σχήμα τους σύμφωνα με το υπολογιστικό αποτέλεσμα ή ανάλογα με την διάδραση του χρήστη [19]. Το 2002 δημιουργήθηκε στο πανεπιστήμιο του MIT το «Illuminating Clay», ένα από τα πρώτα συστήματα που επίδειξε τις ιδιότητες της οργανικής διεπαφής. Η διεπαφή αυτή, επιτρέπει στους χρήστες να διερευνήσουν και να αναλύσουν χωρικά μοντέλα ελεύθερης μορφής. Φτιαγμένο από πηλό οι χρήστες μπορούσαν να δώσουν μορφή με τα ίδια τους τα χέρια πλάθοντάς τον. Έπειτα ένας σαρωτής μπορούσε να οπτικοποιήσει το μοντέλο σε τρισδιάστατη αναπαράσταση. Η διεπαφή αυτή κατάφερε να συνδυάζει τα πλεονεκτήματα 24

25 της φυσικής αλληλεπίδρασης με τα δυναμικά χαρακτηριστικά των γραφικών απεικονίσεων [21]. Εικόνα 12. Illuminating Clay. Μία από τις πρώτες οργανικές διεπαφές [21]. Σύγκριση OUI με GUI Το ποντίκι είναι η επικρατέστερη και πιο επιτυχημένη συσκευή εισόδου στην ιστορία της πληροφορικής. Παρ όλα αυτά το ποντίκι αδυνατεί να αποδώσει τις περίπλοκες ικανότητες χειρισμού που διαθέτουν οι άνθρωποι. Με το ποντίκι, μπορούμε να χειριστούμε μια συγκεκριμένη (χ,ψ) θέση τη φορά, με κάποιες επιπρόσθετες ενέργειες πατήματος πλήκτρων (on,off). Επίσης η ανατροφοδότηση της εισόδου από το σύστημα είναι διαθέσιμη σαν οπτική πληροφορία. Από την άλλη μεριά, με τον φυσικό χειρισμό, μπορούμε εύκολα να χειριστούμε πολλαπλά σημεία και συνεχείς παραμέτρους (π.χ. την πίεση) ταυτόχρονα. Η ανατροφοδότηση που δίνεται δεν περιορίζεται στην όραση, αλλά πολλές φορές περιλαμβάνει την αφή, τον ήχο, τη θερμοκρασία, ή ακόμα και την κίνηση του αέρα. Εδώ η ανάδραση είναι περισσότερο συνδεδεμένη με την είσοδο από ότι στα παραδοσιακά GUIs, όπου η είσοδος και η έξοδος του συστήματος είναι διαχωρισμένες. Για την αλληλεπίδραση, το σώμα δεν περιορίζεται στα δάχτυλα, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα μέλη όπως η παλάμη, ο καρπός, το χέρι ή ακόμα και ολόκληρο το σώμα. Η αλληλεπίδραση με τις οργανικές διεπαφές φέρει πολλές ομοιότητες με τις φυσικές αλληλεπιδράσεις των ανθρώπων όπως για παράδειγμα το σφίξιμο των χεριών και γι αυτό ονομάζεται και «οργανική αλληλεπίδραση» [22]. 25

26 Εικόνα 13.Σύγκριση λειτουργιών μεταξύ της παραδοσιακής γραφικής διεπαφής και της οργανικής διεπαφής [22] Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζεται πως τα διαφορετικά είδη αλληλεπίδρασης του OUI σχετίζονται με τα αντίστοιχα των παραδοσιακών GUI. Η απλή δεικτική μέθοδος στις οργανικές διεπαφές αντικαθιστάται από multi-touch χειρισμούς. Το μενού παρ ότι συνεχίζει να εξυπηρετεί τον ίδιο σκοπό, πολλές από τις λειτουργίες του ενεργοποιούνται μέσα από χειρισμούς στην ίδια την μορφή και το σχήμα. Όσον αφορά τα παράθυρα διαλόγου, αυτά ενεργοποιούνται μέσω ενεργειών αλλαγής σχήματος. Τέλος, οι ιδιαίτερες multitasking δυνατότητες που έχουν τα OUI, βασίζονται στη χρήση πολλαπλών αναπαραστάσεων (displays) με διαφορετικά σχήματα για διαφορετικούς σκοπούς. Αυτές θα έρχονται στο προσκήνιο όταν θα επιλέγονται, και θα απομακρύνονται όταν δεν θα χρησιμοποιούνται [20]. 26

27 Εικόνα 14. Σύγκριση λειτουργιών GUI με OUI [20] Σύγκριση TUI με OUI Συγκρίνοντας τις απτικές με τις οργανικές διεπαφές παρατηρούνται πολλές ομοιότητες αλλά και διαφορές. Οι απτικές διεπαφές συχνά χρησιμοποιούν φυσικά αντικείμενα σαν εργαλεία χειρισμού. Κάθε αντικείμενο είναι χειροπιαστό ώστε ο χρήστης να μπορεί να εφαρμόσει φυσικούς χειρισμούς πάνω του. Αυτά τα αντικείμενα κάποιες φορές έχουν ένα συγκεκριμένο νόημα για την εφαρμογή, και για το λόγο αυτό πολλά απτικά συστήματα είναι domain specific δηλαδή συντονισμένα για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Όσον αφορά τα συστήματα οργανικών διεπαφών, οι χρήστες αλληλεπιδρούν με διαδραστικές επιφάνειες (τοίχους, τραπέζια, ηλεκτρονικά χαρτιά κτλ.) χωρίς να γίνεται χρήση ενδιάμεσων αντικειμένων. Οι αλληλεπιδράσεις είναι περισσότερο γενικές και λιγότερο προσανατολισμένες στην εκάστοτε εφαρμογή. Αυτό μπορεί να συγκριθεί με την αλληλεπίδραση στον πραγματικό κόσμο, όπου επίσης χρησιμοποιούνται φυσικά εργαλεία για τον χειρισμό, αλλά προτιμάται η άμεση, διαπροσωπική επικοινωνία όπως χειραψία. Μπορεί να θεωρηθεί πως οι απτικές διεπαφές είναι πιο λογικές (πρακτικές) και προσανατολισμένες στο χειρισμό (manipulation-oriented), ενώ από την άλλη μεριά οι οργανικές διεπαφές είναι περισσότερο συναισθηματικές και προσανατολισμένες στην επικοινωνία (communication-oriented) [22]. 27

28 Λοιπές Διεπαφές Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναφερθούν και κάποια είδη διεπαφών που δεν καθιστούν από μόνα τους σημαντική κατηγορία, αλλά τα οποία συνδυασμένα μεταξύ τους ή με άλλες διεπαφές συνθέτουν ενδιαφέροντα συστήματα. Διεπαφές Μετακίνησης Οι διεπαφές μετακίνησης (Locomotion Interfaces) μοιάζουν σε πολλά χαρακτηριστικά τόσο με τις απτικές όσο και με τις διεπαφές με χειρονομίες, διαφέρουν όμως επειδή απαιτούν μεγαλύτερη μηχανική κίνηση εξαιτίας της μεγάλης κλίμακας κίνησης ή πλοήγησης που συμβαίνει μέσω της διεπαφής. Σε εργαστηριακό επίπεδο οι διεπαφές αυτές συνδέονται με προσομοιωτές υψηλού επιπέδου, όπως για παράδειγμα προσομοίωση για κολύμπι. Σε εμπορικό επίπεδο, έχουν δημιουργηθεί παιχνίδια arcade που αντιλαμβάνονται την ανθρώπινη κίνηση, όπου ο χρήστης μπορεί να χορεύει ή να κάνει σκι. Ακουστικές Διεπαφές Οι ακουστικές διεπαφές (Auditory Interfaces) υπάρχουν στην καθημερινότητά μας εδώ και πολλά χρόνια. Με την μορφή της καμπάνας της εκκλησίας ή της σειρήνας, μπορούν να μεταφερθούν απλά μηνύματα όπως ο κίνδυνος. Με παρόμοιο τρόπο έχουν χρησιμοποιηθεί συνοδευτικά και σε άλλες διεπαφές κυρίως για να επισημάνουν προειδοποιητικά μηνύματα. Παρόλο που τα ακουστικά μηνύματα διακρίνονται από την απλότητα, οι διεπαφές αυτές προϋποθέτουν την σωστή ερμηνεία του εκάστοτε μηνύματος από τον χρήστη. Πρόσφατα οι ακουστικές διεπαφές έχουν χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατα πολύπλοκων οπτικών διεπαφών. Μετατρέπουν σε ήχους, οπτικές αναπαραστάσεις όπως γραφήματα και εικονίδια ώστε να ερμηνεύονται ακουστικά παρά οπτικά. Η λειτουργία των διεπαφών αυτών έχει ονομαστεί ηχητικοποίηση (Sonification). Φωνητικές Διεπαφές Χρήστη Με τις φωνητικές διεπαφές (Voice User Interfaces) ο χρήστης μπορεί να διεξάγει μία αυτοματοποιημένη συζήτηση με το σύστημα. Το σύστημα IVR (Interactive Voice Response Interface), χρησιμοποιείται για βασικές λειτουργίες όπως το να κατευθύνει τον χρήστη στην σωστή υπηρεσία, να του διαβάσει το υπόλοιπο του λογαριασμού του κ.τ.λ. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και σε αυτόν τον τομέα όμως, πλέον είναι δυνατόν η διεπαφή αυτή να παρέχει πολυπλοκότερη αλληλεπίδραση με τον χρήστη, παρέχοντάς του περισσότερες πληροφορίες. 28

29 Οι διεπαφές αυτές βρήκαν μεγάλη απήχηση ειδικά σε επιχειρήσεις αφού τους επέτρεπαν να μειώνουν σημαντικά το κόστος τους (λιγότεροι εργαζόμενοι σε τηλεφωνικές συνομιλίες), ενώ ταυτόχρονα οι χρήστες παρείχαν πολύ ικανοποιητικές αξιολογήσεις. Οσφρητικές Διεπαφές Οι οσφρητικές διεπαφές (Olfactory Interfaces) έκαναν την εμφάνισή τους στην δεκαετία του 60. Ήταν μία προσπάθεια να προστεθεί μία νέα διάσταση στον χώρο του θεάματος σε κινηματογράφους και θέατρα, η οποία όμως απέτυχε παταγωδώς. Οι έρευνες έχουν συνεχιστεί από τότε πάνω στις οσφρητικές-οπτικές διεπαφές, με στόχο να επιτρέπουν στον χρήστη να αντιλαμβάνεται οσμές. Επικεντρώνονται πλέον στο Internet σαν το μέσο αλληλεπίδρασης με ποικίλες δυνατότητες εφαρμογής, από πώληση αρωμάτων, μέχρι σε παιχνίδια για την βελτίωση της εμπειρίας χρήστη, για παράδειγμα σε παιχνίδι αυτοκινητιστικού αγώνα η μυρωδιά του λάστιχου στο οδόστρωμα. Γευστικές Διεπαφές Πολύ λίγη έρευνα έχει γίνει πάνω στις γευστικές διεπαφές (Taste Interfaces). Επικεντρώνονται στον τομέα της προσομοίωσης και πως θα ήταν εφικτό μία συγκεκριμένη γεύση να μπορεί να προσομοιωθεί έτσι ώστε να αναπαριστά μία αληθινή. Η γεύση όπως και η όσφρηση στις αντίστοιχες διεπαφές, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταδώσει κωδικοποιημένες πληροφορίες. Διεπαφές μικρών οθονών Το 1931 στο κόμικ Dick Tracy, εμφανίστηκε ένας χαρακτήρας που χρησιμοποιούσε μία επικάρπεια συσκευή τηλεφώνου. Από τότε μπορούμε να πούμε ότι ξεκίνησε το όραμα για μικροσκοπικές συσκευές που με την εξέλιξη της τεχνολογίας έγιναν πραγματικότητα. Διεπαφές μικρών οθόνων (Small screen interfaces) συναντάμε πλέον σε κινητά τηλέφωνα, mp3 players, και άλλες συσκευές που ολοένα και μειώνουν το μέγεθός τους. Παρόλα αυτά όσο οι συσκευές συνεχίζουν να μικραίνουν, νέα προβλήματα αναδύονται. Προβλήματα εργονομίας και προβλήματα πλοήγησης στα μενού είναι μερικά από αυτά που προκύπτουν λόγω του μικρού μεγέθους των συσκευών. Είναι αντιληπτό αναμφίβολα, ότι οι διεπαφές αυτές πρέπει να προσεγγιστούν από διαφορετική γωνία απ ότι οι αντίστοιχες μεγαλύτερου μεγέθους διεπαφές [23]. 29

30 Παρακάτω αναφέρονται ως ξεχωριστή κατηγορία διεπαφής, οι πολυτροπικές διεπαφές, που ουσιαστικά είναι ένα σύστημα αποτελούμενο από τον συνδυασμό πολλών διεπαφών μαζί [23]. Πολυτροπικές Διεπαφές Ως πολυτροπικό χαρακτηρίζεται ένα διαδραστικό σύστημα το οποίο βασίζεται στην χρήση πολλαπλών αγωγών επικοινωνίας του ανθρώπου [4]. Οι πολυτροπικές διεπαφές (Multimode Intercation) περικλείουν δύο ή παραπάνω διαφορετικά είδη διεπαφών που όλες έχουν σαν στόχο να επιτελέσουν το ίδιο έργο. Αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, με βάση αν απαιτείται ο συνδυασμός των διεπαφών που συμπεριλαμβάνουν για την ολοκλήρωση της εργασίας ή όχι. Δύο ή περισσότερες διεπαφές για την ολοκλήρωση του ίδιου έργου Σε πολλές περιπτώσεις μία εργασία που θέλει να συντελέσει ο χρήστης μπορεί να πραγματοποιηθεί με παραπάνω από μία διεπαφές. Για παράδειγμα ένας χρήστης μπορεί να ολοκληρώσει μία απλή τραπεζική ενέργεια χρησιμοποιώντας το Internet ή τηλεφωνικώς χρησιμοποιώντας ένα διαδραστικό σύστημα φωνητικής απόκρισης. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει να χρησιμοποιήσει οποιαδήποτε δοθείσα διεπαφή, πέραν αυτών όμως οι διεπαφές δεν εξαρτώνται η μία από την άλλη, με την έννοια ότι δεν απαιτείται ούτε και θα ήταν εφικτό να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα. Όταν δίνονται πολλαπλές διεπαφές για ένα σύστημα, τότε αυτό προϋποθέτει, ότι οι φαινομενικά ανεξάρτητα μεταξύ τους διεπαφές πρέπει και να σχεδιαστούν και να ελεγχθούν σαν να αποτελούσαν μέρη του ίδιου συστήματος. Με αυτό τον τρόπο διασφαλίζεται ότι ο χρήστης μπορεί να μεταβαίνει από την μία διεπαφή στην άλλη, και από το εμπρός βήμα στο πίσω, με ομαλό τρόπο. Συνδυασμός διεπαφών για την ολοκλήρωση ενός έργου Αυτή η κατηγορία πολυτροπικών διεπαφών είναι και η πιο συνήθης. Οι πολλαπλές διεπαφές συνδέονται με τρόπο που να σχηματίσουν ένα σύστημα-διεπαφή. Εδώ είτε επιτρέπεται στον χρήστη είτε πρέπει υποχρεωτικά να χρησιμοποιήσει τον συνδυασμό των διεπαφών για να αλληλεπιδράσει με το σύστημα. Μία συχνή και αποτελεσματική χρήση τέτοιας διεπαφής είναι αυτή που συνδυάζει την ακουστική με την οπτική διεπαφή. Άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας, όπου συνδυάζουν διεπαφές όρασης, ακοής, ομιλίας, 30

31 απτικές και διεπαφές χειρονομίας με αποτέλεσμα μια ενιαία και ολοκληρωμένη εμπειρία. Διεπαφές Έξυπνων Υλικών Οι διεπαφές με έξυπνα υλικά (Smart Material Interfaces), είναι μία καινούρια μορφή διεπαφών, που βασίζεται στις απτικές και οργανικές διεπαφές. Οι διεπαφές αυτές εκμεταλλεύονται τις ειδικές ιδιότητες των τεχνητών υλικών που ονομάζονται «έξυπνα» υλικά, με σκοπό να πειραματιστούν και να προάγουν νέα είδη αλληλεπίδρασης. Τα έξυπνα υλικά περιλαμβάνουν υλικά που είναι σε θέση να αντιστρέψουν την μεταβολή στο σχήμα τους ή στην διάστασή τους, κατόπιν ενός ή περισσότερων ερεθισμάτων μέσω εξωτερικών επιδράσεων, όπως την επίδραση του φωτός, της θερμοκρασίας, της πίεσης, ενός ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου, ή μιας χημικής ουσίας. Με την χρήση των έξυπνων υλικών, τα αντικείμενα μπορούν να αποκτήσουν την δυνατότητα να αλλάζουν τις ιδιότητές τους, να μπορούν να ανταλλάζουν ενέργειες, και να είναι αναστρέψιμα. Τα έξυπνα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις διεπαφές με ποικίλους τρόπους, ως ενεργοποιητές, ως αισθητήρες, ως μέσο απεικόνισης. Η εφαρμογή τους είναι καινούρια και πολλά υποσχόμενη τόσο στην σχεδίαση των διεπαφών όσο και στον τρόπο αλληλεπίδρασης των χρηστών με αυτές. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται εκτενέστερη αναφορά στα έξυπνα υλικά και στην χρήση τους στις διεπαφές έξυπνων υλικών. 31

32 2. Απτικές Διεπαφές Χρήστη Εισαγωγή Από την δεκαετία του 1980, το επικρατέστερο μοντέλο διεπαφών είναι το γραφικό περιβάλλον χρήστη. Οι γραφικές διεπαφές όμως περιορίζουν τις δυνατότητες που μπορεί να έχει η χρήση υπολογιστή και τις ικανότητες που διαθέτει ήδη ο άνθρωπος στην αλληλεπίδραση με το περιβάλλον του και με τα αντικείμενα που το αποτελούν. Επιτρέπει την είσοδο στο σύστημα με συγκεκριμένο είδος συσκευών όπως το ποντίκι και το πληκτρολόγιο, και προκαθορισμένες ενέργειες χρήσης των συσκευών αυτών, ενώ και η έξοδος του συστήματος περιορίζεται κυρίως στην γραφική αναπαράσταση της πληροφορίας στην οθόνη ή σε βοηθητικές περιφερειακές συσκευές όπως τα ηχεία. Το φυσικό περιβάλλον όμως του ανθρώπου και οι δυνατές αλληλεπιδράσεις του με αυτό είναι απεριόριστες. Έτσι γεννήθηκε η ιδέα ότι αντί ο άνθρωπος να πρέπει να διδαχθεί καινούριους τρόπους αλληλεπίδρασης για την λειτουργία της οποιαδήποτε διεπαφής, οι διεπαφές θα έπρεπε να σχεδιαστούν με τρόπο που να αξιοποιούν τις ήδη υπάρχουσες ικανότητες του. Τέτοιες διεπαφές είναι οι απτικές διεπαφές που αναλύονται στο παρόν κεφάλαιο. Ορισμός Έχουν δοθεί πολλές ονομασίες για αυτές τις διεπαφές όπως χειροπιαστές, ενσώματες, απτικές, χειραπτικές κ.α. Με όλους αυτούς τους όρους εννοείται το ίδιο σύστημα, το οποίο αναφέρεται σε αυτήν την εργασία με τον πιο κοινό του όρο δηλαδή ως απτικές διεπαφές χρήστη (Tangible User Interface ή TUI), όπως ονομάστηκαν από τον καθηγητή Ishii. Οι Ishii H. και Ullmer B. το 1997 [24] έδωσαν σαν ορισμό για τα TUI, την διεπαφή που «επαυξάνει τον πραγματικό φυσικό κόσμο, με την σύνδεση της ψηφιακής πληροφορίας με καθημερινά φυσικά αντικείμενα και περιβάλλοντα». Ο K. P. Fishkin [25] περιέγραψε τις απτικές διεπαφές ως τις διεπαφές όπου «ο χρήστης χρησιμοποιεί τα χέρια του για να χειριστεί κάποιο αντικείμενο με φυσικές κινήσεις, το υπολογιστικό σύστημα τις αναγνωρίζει, μεταβάλλει την κατάστασή του και δίνει την αντίστοιχη ανάδραση». 32

33 2.1 Περιγραφή Ο πανταχού παρών υπολογιστής Το 1991, ο Mark Weiser (επιστήμονας στην Xerox PARC) δημοσίευσε το άρθρο «Ubiquitous Computing» με το όραμά του «πανταχού παρόντος υπολογιστή» στο οποίο αποτυπώνει ένα διαφορετικό μοντέλο της πληροφορικής και γενικά της αλληλεπίδρασης ανθρώπουυπολογιστή, το οποίο ωθεί τους υπολογιστές στο παρασκήνιο και προσπαθεί να τους κάνει αόρατους [24]. Το προσδιοριστικό χαρακτηριστικό του πανταχού παρόντος υπολογιστή είναι η προσπάθεια απομάκρυνσης από το παραδοσιακό μοντέλο του επιτραπέζιου υπολογιστή και μεταφορά της υπολογιστικής ισχύς στο περιβάλλον μέσα στο οποίο κινείται ο χρήστης. Αντί να υποχρεώνει τον χρήστη να αναζητά και να βρίσκει την διεπιφάνεια, το σκεπτικό του πανταχού παρόντος υπολογιστή προτείνει το αντίθετο, δηλαδή η διεπιφάνεια να έχει την ευθύνη εντοπισμού και εξυπηρέτησης του χρήστη [4]. Οι απτικές διεπαφές χρήστη, αναπτύχθηκαν από αυτό το όραμα. Ο Ishii προσπάθησε να ενσωματώσει την πληροφορία από τον ψηφιακό κόσμο και την οθόνη, στο φυσικό περιβάλλον, μετατρέποντας τα ψηφιακά bits σε απτά bits, και από τον συνδυασμό τους να υπάρξει μία διεπαφή που θα προσφέρει μεγαλύτερες δυνατότητες αλληλεπίδρασης για τον χρήστη κάνοντας ταυτόχρονα την ένωση των δύο, ομαλή και μη αντιληπτή. Ο άνθρωπος λειτουργώντας μέσα στο περιβάλλον του, διαθέτει γνώση των ενεργειών που του επιτρέπουν να αλληλεπιδρά με τα φυσικά αντικείμενα. Σαν χρήστης διεπαφών έχει μάθει επίσης και τις τεχνητές ενέργειες που του επιτρέπουν να χειρίζεται και να αλληλεπιδρά με τα ψηφιακά αντικείμενα. Αυτή την γνώση που ο άνθρωπος ήδη διαθέτει, προσπαθούν οι απτικές διεπαφές να ενώσουν, με σκοπό να είναι πιο εύκολη και λειτουργική η διεπαφή, αλλά και μέσα από την αξιοποίηση των περιφερειακών του αισθήσεων να δίνει την αίσθηση ότι είναι επαυξημένη σε όλο τον περιβάλλοντα χώρο, ξεφεύγοντας από τον επιτραπέζιο υπολογιστή και την οθόνη και παίρνοντας φυσική υπόσταση. 33

34 Εικόνα 15. Από το περιορισμένο GUI στο επαυξημένο TUI [24] Οι γραφικές διεπαφές κάνουν διάκριση μεταξύ των συσκευών εισόδου που θα χρησιμοποιηθούν ως συσκευές ελέγχου και χειρισμού και των συσκευών εξόδου όπως η οθόνη όπου χρησιμοποιείται ως μέσο αναπαράστασης της πληροφορίας. Αντίθετα, στις απτικές διεπαφές υπάρχει άψογη ενσωμάτωση της αναπαράστασης με τον έλεγχο και κατάργηση του διαχωρισμού μεταξύ των συσκευών [16]. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται πως διαμορφώνονται στις απτικές διεπαφές τα αντίστοιχα λειτουργικά αντικείμενα των γραφικών διεπαφών. Εικόνα 16. Αντιστοίχηση των αντικειμένων διαφόρων λειτουργιών των γραφικών διεπαφών με τα αντίστοιχα των απτικών διεπαφών [24] Ένα πολύ απλό σενάριο για την περιγραφή της λειτουργίας των απτικών διεπαφών θα ήταν τα εξής 3 βήματα [25]: 1. Ο χρήστης προκαλεί κάποιο γεγονός εισόδου στο σύστημα, που αυτό συνήθως είναι κάποιος χειρισμός με χειρονομία πάνω σε ένα οποιοδήποτε καθημερινό φυσικό 34

35 αντικείμενο. Αυτός ο χειρισμός μπορεί να είναι ενέργειες όπως να γείρει, να κουνήσει, να πιέσει ή να σπρώξει το αντικείμενο. 2. Το υπολογιστικό σύστημα αντιλαμβάνεται το γεγονός εισόδου, και αλλάζει την κατάστασή του. 3. Το σύστημα παρέχει την ανατροφοδότηση. Η έξοδος, λαμβάνει χώρα μέσα από την αλλαγή της φυσικής κατάστασης του αντικειμένου, όπου π.χ. μπορεί να μεταβάλλει την επιφάνεια αναπαράστασής του, να αλλάξει το μέγεθός του, ή να παρέχει ηχητική η απτική ανατροφοδότηση. Προκλήσεις Υλοποίησης Οι απτικές διεπαφές, με τον συνδυασμό φυσικών και ψηφιακών αντικειμένων παρουσιάζουν αυξημένη δυσκολία στην υλοποίηση σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διεπαφές, που είχαν να κάνουν με τον χειρισμό μόνο ψηφιακής πληροφορίας. Σύμφωνα με τους SHAER O. και τους συνεργάτες του [26], οι μεγαλύτερες προκλήσεις για τον σχεδιασμό απτικών διεπαφών είναι: Η διασύνδεση μεταξύ του εικονικού και του πραγματικού κόσμου Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές διεπαφές που χειρίζονται ψηφιακά αντικείμενα, στις απτικές διεπαφές οι λειτουργίες μοιράζονται μεταξύ φυσικών και ψηφιακών αντικειμένων, τα οποία συνυπάρχουν και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ο καθορισμός και διαμοιρασμός των λειτουργιών που θα αναλάβει η κάθε κατηγορία αντικειμένων και που θα μπορεί να αντιπροσωπεύει καλύτερα είναι πολύ σημαντικό για τον επιτυχή σχεδιασμό της διεπαφής. Το σύστημα επιδεικνύει παραπάνω από μία συμπεριφορές Στις απτικές διεπαφές η συμπεριφορά του φυσικού αντικειμένου δεν προέρχεται εξ ολοκλήρου από την φύση του αντικειμένου, αλλά και από την σχέση που αυτό έχει με άλλα φυσικά ή ψηφιακά αντικείμενα της διεπαφής, με τα οποία μπορεί και αλληλεπιδρά, σχέσεις οι οποίες μπορούν να αλλάζουν στην πορεία προσθέτοντας και αφαιρώντας αντικείμενα. Ο σχεδιασμός της διεπαφής πρέπει να γίνει έτσι ώστε εκ των προτέρων να μπορεί να λαμβάνει υπόψη την αμοιβαία επίδραση που μπορεί να έχουν τα αντικείμενα στην συμπεριφορά τους. 35

36 Ο μεγάλος αριθμός ενεργειών που μπορούν να εφαρμοστούν στο σύστημα Προσθέτοντας την τρίτη διάσταση στις απτικές διεπαφές, ενέργειες της δισδιάστατης γραφικής διεπαφής, όπως επιλογή, μετακίνηση, διαδρομή κ.τ.λ. αντικαθιστούνται από μεγάλη ποικιλία τρισδιάστατων ενεργειών όπως συμπίεση, εκτίναξη, ώθηση κ.τ.λ. που διατίθενται στην ευχέρεια του σχεδιαστή της διεπαφής να αποφασίσει ποιές από αυτές είναι ουσιαστικές για να χρησιμοποιηθούν. Δεν υπάρχουν πρότυπα συσκευών εισόδου/εξόδου Δεν υπάρχουν πρότυπα συσκευών εισόδου/εξόδου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη κάποιου έργου στις απτικές διεπαφές. Για παράδειγμα, για τον εντοπισμό της κίνησης ενός αντικειμένου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τεχνολογίες όπως μαγνητικοί αισθητήρες, ταυτοποίηση μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID, Radio Frequency Identification), ή Όραση Υπολογιστή (computer vision). Για την επίτευξη του ίδιου έργου μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές διαφορετικές φυσικές συσκευές και τεχνολογίες, που απαιτούν διαφορετική σχεδίαση και προγραμματισμό, ενώ η ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών στην διεπαφή μπορεί να αποβεί δύσκολη και δαπανηρή. Η αλληλεπίδραση είναι κατανεμημένη Δεν υπάρχει ένα μόνο σημείο αλληλεπίδρασης, αφού δίνεται η δυνατότητα να αλληλεπιδρούν ταυτόχρονα πολλά άτομα με την διεπαφή. Ακόμα και μία ενέργεια συγκεκριμένης αλληλεπίδρασης μπορεί να κατανέμεται ανάμεσα σε πολλά φυσικά αντικείμενα. Τα υπάρχοντα μοντέλα σχεδίασης διαδραστικών συστημάτων, χειρίζονται τις πολλαπλές συσκευές εισόδου με την σειριοποίηση των λειτουργιών εισόδου σε μία κοινή ροή (stream), μέθοδος που είναι ακατάλληλη για τις απτικές διεπαφές όπου η είσοδος είναι λογικώς παράλληλη δηλαδή οι χρήστες αντιλαμβάνονται πολλαπλούς διαλόγους να συμβαίνουν ταυτόχρονα. 36

37 2.2 Χαρακτηριστικά Ο χώρος των εξωτερικών αναπαραστάσεων χωρίζεται σε δύο κατηγορίες [16]. Ως φυσικές αναπαραστάσεις θεωρούνται εκείνες που ενσωματώνουν την πληροφορία σε «απτές», συγκεκριμένες μορφές. Ως ψηφιακές αναπαραστάσεις θεωρούνται εκείνες, που προκαλούνται από υπολογιστικά μέσα και προβάλλονται σε οθόνες, που είναι μεν αντιληπτές με τις αισθήσεις, αλλά που δεν έχουν φυσική υπόσταση, είναι επομένως άυλες και μη-απτές. Ένας απλός τρόπος για να ξεχωριστεί μία ψηφιακή από μία φυσική αναπαράσταση είναι η αποσύνδεση του ηλεκτρικού ρεύματος από την διεπαφή. Οι ψηφιακές αναπαραστάσεις αμέσως εξαφανίζονται σε αντίθεση με τις φυσικές που παραμένουν υπαρκτές. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζονται δύο μοντέλα αλληλεπίδρασης. Το πρώτο αφορά τις γραφικές διεπαφές χρηστών και ονομάζεται «model-view-controller» δηλαδή μοντέλο αναπαράστασης-χειρισμού ή εν συντομία «MVC». Η έξοδος του υπολογιστή παρουσιάζεται με την μορφή «ψηφιακών αναπαραστάσεων» (κυρίως με γραφικά βασισμένα στην οθόνη και με κείμενο), ενώ η είσοδος λαμβάνεται από τον έλεγχο περιφερειακών συσκευών όπως το πληκτρολόγιο και το ποντίκι. Το δεύτερο μοντέλο ονομάζεται «model-control-representation (physical and digital)» ή «MCRpd» και αφορά τις απτικές διεπαφές. Σε αυτό το μοντέλο η αναπαράσταση χωρίζεται σε δύο μέρη στην φυσική (rep-p) και την ψηφιακή (rep-d). Ενώ στο μοντέλο MVC υπάρχει ξεκάθαρος διαχωρισμός μεταξύ των στοιχείων αναπαράστασης και ελέγχου, στο μοντέλο MCRpd αυτά είναι ενσωματωμένα, όχι μόνο σε θεωρητικό επίπεδο αλλά και στην πραγματικότητα. 37

38 Εικόνα 17.Μοντέλο ελέγχου-αναπαράστασης [16] Από το παραπάνω MCRpd μοντέλο (εικόνα 17), μελετώντας τις σχέσεις με τις οποίες συνδέονται οι φυσικές αναπαραστάσεις, διακρίνονται 3 βασικά χαρακτηριστικά των απτικών διεπαφών που αναλύονται στην συνέχεια. 1. Οι φυσικές αναπαραστάσεις (rep-p) συνδέονται μέσω του υπολογιστή με την ψηφιακή πληροφορία (model). 2. Οι φυσικές αναπαραστάσεις ενσωματώνουν μηχανισμούς διαδραστικού ελέγχου (control). Η φυσική κίνηση, η περιστροφή, η σύνδεση ενός αντικειμένου σε κάποιο άλλο ή με άλλους χειρισμούς, οι φυσικές αναπαραστάσεις χρησιμεύουν ως το κύριο μέσο για τον έλεγχο των απτικών διεπαφών. 3. Οι φυσικές αναπαραστάσεις είναι στενά συνδεδεμένες με τις ψηφιακές αναπαραστάσεις (rep-d) από άποψη αντίληψης. Οι απτικές διεπαφές βασίζονται πάνω στην ισορροπία μεταξύ των φυσικών και ψηφιακών αναπαραστάσεων, με τις μεν φυσικές να παίζουν σημαντικό ρόλο από άποψη και αναπαράστασης της πληροφορίας και ελέγχου, ενώ με τις ψηφιακές συγκεκριμένα μέσω των γραφικών και του ήχου να μπορούν να αναπαραστήσουν την πιο δυναμική πληροφορία που είναι παράγωγο της επεξεργασίας του υπολογιστικού συστήματος. 38

39 Ένα τελευταίο χαρακτηριστικό που διέπει τις απτικές διεπαφές και δεν διαφαίνεται στο παραπάνω στο μοντέλο αλλά πρέπει να αναφερθεί, είναι πως η φυσική κατάσταση των αντικειμένων που χρησιμοποιεί η διεπαφή ενσωματώνουν εν μέρει και την ψηφιακή κατάσταση του συστήματος [16]. Συνδυασμός απτών αντικειμένων με ψηφιακή πληροφορία Τρόποι Διασύνδεσης Οι απτικές διεπαφές παρέχουν μεγάλη ποικιλία στον τρόπο διασύνδεσης των φυσικών με των ψηφιακών αναπαραστάσεων. Παρακάτω αναφέρονται μερικές από τις πιο διαδεδομένες [16]: Στατικά ψηφιακά μέσα όπως εικόνες και τρισδιάστατα μοντέλα. Δυναμικά ψηφιακά μέσα όπως ζωντανή μετάδοση βίντεο, ή δυναμικά γραφικά. Δυναμικές ιδιότητες, όπως το χρώμα ή άλλες ιδιότητες υλικών. Υπολογιστικές λειτουργίες και εφαρμογές. Απλές δομές δεδομένων, όπως λίστες ή δέντρα πολυμεσικών αντικειμένων. Πολύπλοκες δομές δεδομένων, όπως συνδυασμούς δεδομένων, λειτουργιών και χαρακτηριστικών. Απομακρυσμένους ανθρώπους, τόπους και πράγματα (συμπεριλαμβανομένων και άλλων ηλεκτρονικών συσκευών). 39

40 2.3 Εφαρμογές Σύμφωνα με τον Ishii H. [27] οι πιο υποσχόμενες απτικές διεπαφές χωρίζονται σε 8 κατηγορίες με βάση την λειτουργία τους. Παρακάτω παρατίθεται περιγραφή και υλοποιημένα παραδείγματα των εφαρμογών αυτών Απτική Τηλεπαρουσία Η απτική τηλεπαρουσία (Tangible Telepresense) εστιάζει στην διαπροσωπική επικοινωνία. Στηρίζεται στην αντιστοίχιση μιας απτικής εισόδου με μία εικονική αναπαράσταση από απόσταση. Δηλαδή προσομοιώνει την «παρουσία», κινήσεις ή δονήσεις πάνω σε αντικείμενα επιτρέποντας στους χρήστες να διανέμουν απτικούς χειρισμούς πάνω σε φυσικά αντικείμενα. Η διεπαφή δίνει την αίσθηση σαν κάποιο αόρατο πρόσωπο να προκαλεί τον χειρισμό ενός αντικειμένου, ενώ στην πραγματικότητα τον χειρισμό κάνει ένα πρόσωπο από απόσταση σε αντίστοιχο αντικείμενο [27]. Αυτό το είδος διεπαφής ονομάζεται Συγχρονισμένα Κατανεμημένα Υλικά Αντικείμενα (Synchronized Distributed Physical Objects) και πρόκειται για μία προέκταση των απτικών διεπαφών στον χώρο των συστημάτων συνεργασίας και υποστήριξης (computer supported cooperative work, CSCW). Στόχος είναι να ενισχυθεί η εξ αποστάσεως επικοινωνία και συνεργασία σε πραγματικό χρόνο, δίνοντας μεγαλύτερη την αίσθηση της αφής και της φυσικότητας, στις κατανεμημένες αλληλεπιδράσεις πολλαπλών χρηστών [28]. Εικόνα 18. Τεχνικές Διεπαφής για Επικοινωνία μεταξύ Ανθρώπου-Υπολογιστή (HCI) και για συστήματα συνεργασίας και υποστήριξης (CSCW) [28] 40

41 InTouch Το InTouch παρέχει ένα σύστημα για απτική διαπροσωπική επικοινωνία από απόσταση. Περιγραφή Λειτουργίας Το InTouch αποτελείται από δύο αντικείμενα σε μέγεθος χειρός, καθένα από τα οποία έχει ενσωματωμένους τρεις κυλίνδρους στη βάση του. Οι κύλινδροι ενώνονται με τέτοιον τρόπο, ώστε μοιάζουν να συνδέονται με τους αντίστοιχούς τους στην άλλη βάση. Αυτό γίνεται δυνατόν χρησιμοποιώντας τεχνολογία διμερούς δυναμικής ανάδρασης(force-feedback), με αισθητήρες θέσης για την παρακολούθηση των κυλίνδρων και κινητήρες υψηλής ακρίβειας για να συγχρονίζει τις καταστάσεις τους. Με αυτόν τον τρόπο δύο άνθρωποι από απόσταση, μπορούν να αισθανθούν τις κινήσεις του άλλου προσώπου πάνω στους κυλίνδρους, να κινήσουν συνεργατικά τους κυλίνδρους, ή να προσπαθήσουν να πάρουν τον έλεγχο από το άλλο πρόσωπο. Έτσι δημιουργείται ένα μέσο έκφρασης μέσω της αφής [28]. Εικόνα 19. InTouch. Photo: KIOKU Keizo, σε Kissenger Το Kissenger είναι μία συσκευή απτικής τηλεπαρουσίας που επιτρέπει μέσω μίας απτικής διεπαφής την μετάδοση φιλιού μεταξύ δύο ανθρώπων που βρίσκονται σε απόσταση. Κάθε συσκευή που αντιστοιχεί στους δύο χρήστες μπορεί να αισθανθεί και να διαβιβάσει την δύναμη που ο χρήστης χρησιμοποιεί ακουμπώντας ένα ζευγάρι χειλιών που είναι 41

42 τοποθετημένο πάνω στην συσκευή, και να το αναπαραστήσει στην άλλη συσκευή χρησιμοποιώντας κινητήρες. Η συσκευή σχεδιάστηκε για να αυξήσει την διάδραση ήδη υπαρχόντων τεχνολογιών απομακρυσμένης επικοινωνίας όπως η βίντεο κλήση, και για να δώσει μία δόση οικειότητας σε σχέσεις εξ αποστάσεως [29]. Εικόνα 20.Kissenger [29] Περιγραφή Λειτουργίας Η συσκευή αποτελείται από 3 κυρίως χαρακτηριστικά, τον αισθητήρα εισόδου, τον ενεργοποιητή εξόδου και τον χειρισμό και ασύρματο δίκτυο. Στο μπροστινό μέρος των χειλιών είναι τοποθετημένοι αισθητήρες δύναμης που μπορούν να εντοπίσουν διάφορα επίπεδα αγγιγμάτων. Ο βαθμός της δύναμης που ασκείται μεταφράζεται σε ψηφιακά δεδομένα και μεταδίδεται με ασύρματο δίκτυο στην συσκευή του δέκτη. Ο ενεργοποιητής στον δέκτη λαμβάνει την πληροφορία και δίνει κίνηση στους σερβοκινητήρες που διογκώνουν τα χείλη της επιφάνειας της συσκευής. Τέλος κάθε συσκευή έχει ενσωματωμένο ένα κύκλωμα Arduino Pro Mini, που ελέγχει τους αισθητήρες και τον ενεργοποιητή, ενώ η ασύρματη επικοινωνία γίνεται με ένα Xbee module. 42

43 2.3.2 Υλικά στοιχεία με Κινητική μνήμη Στην κατηγορία των υλικών στοιχείων με κινητική μνήμη (Tangibles with Kinetic Memory), εφαρμόζει κιναισθητικές χειρονομίες και κινήσεις για την εκμάθηση εννοιών. Χρησιμοποιείται κυρίως σε εκπαιδευτικά παιχνίδια, καθώς μπορεί να διδάξει τα παιδιά έννοιες σχετικές με τον προγραμματισμό, την διαφορική γεωμετρία ακόμα και την αφήγηση [27]. Παρακάτω παρουσιάζεται ένα εκπαιδευτικό παιχνίδι το CurlyBot που ανήκει σε αυτήν την κατηγορία διεπαφών. CurlyBot Το CurlyBot είναι ένα αυτόνομο αμαξίδιο 2 τροχών, με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά που μπορούν να καταγράψουν την κίνησή του πάνω σε οποιαδήποτε επιφάνεια και να την αναπαράγουν επ αόριστον και με ακρίβεια [30]. Εικόνα 21.CurlyBot [30] Η επιφάνεια του είναι καμπύλη που διευκολύνει την λαβή, πάνω στην οποία βρίσκονται ένα κουμπί και ένα λαμπάκι LED που ανάβει κόκκινο σε κατάσταση εγγραφής και πράσινο σε κατάσταση αναπαραγωγής. Περιγραφή Λειτουργίας Για την εγγραφή αρκεί το πάτημα του κουμπιού και η κίνηση του CurlyBot στην επιθυμητή διαδρομή. Την δεύτερη φορά που θα πατηθεί το κουμπί, η εγγραφή σταματάει και ξεκινάει η 43

44 αναπαραγωγή της κίνησης επ αόριστον μέχρι να πατηθεί πάλι το κουμπί. Ο χειρισμός του παιχνιδιού είναι εξαιρετικά απλός, και τα παιδιά μπορούν να κατανοήσουν γρήγορα την λειτουργία και να κάνουν περίπλοκες κινήσεις. Μία άλλη έκδοση του CurlyBot, έχει μία λειτουργία που ονομάζεται «μπούμερανγκ», κατά την οποία κινείται μπροστά και πάλι πίσω στην εγγεγραμμένη διαδρομή. Το CurlyBot έχει ακόμα μία επέκταση με στυλό που του επιτρέπει να ζωγραφίζει την πορεία του δημιουργώντας γεωμετρικά σχήματα. Εικόνα 22.Το CurlyBot με επέκταση [30] Δομική Συναρμολόγηση Μία άλλη κατηγορία απτικών διεπαφών είναι αυτή της δομικής συναρμολόγησης (Constructive Assembly). Οι διεπαφή αυτή αξιοποιεί την διασύνδεση δομικών μονάδων, που η μεταξύ τους συναρμολόγηση και οι κινητικές σχέσεις που δημιουργούνται, επιτρέπουν μεγαλύτερες κατασκευές και ποικιλία κινήσεων [27]. Τα τελευταία χρόνια η μοντελοποίηση και αλληλεπίδραση με τρισδιάστατα αντικείμενα έχει γίνει σημαντικός τομέας μελέτης της επιστήμης των υπολογιστών. Οι ερευνητικές μελέτες εστίασαν στον σχεδιασμό διεπαφών που χρησιμοποιούν φυσικά αντικείμενα, υλοποιώντας την θεωρία ότι ο χρήστης συνδυάζοντας με τα χέρια του φυσικά αντικείμενα για την κατασκευή δομών, η αλληλεπίδραση με την διεπαφή τρισδιάστατης μοντελοποίησης θα 44

45 γινόταν πιο διαισθητική. Επιπλέον, αν το κατασκευασμένο αντικείμενο μπορούσε να εισάγει δεδομένα και να αναπαραστήσει την έξοδο από το σύστημα, τότε ο χρήστης δεν θα χρειαζόταν επιπλέον συσκευές όπως το πληκτρολόγιο, το ποντίκι ή την οθόνη, και η αλληλεπίδραση θα γινόταν απευθείας με το αντικείμενο. Κατά συνέπεια θα ήταν πιο εύκολη η κατανόηση του εικονικού μοντέλου, αφού θα υπήρχε ένα φυσικό του αντίγραφο [31]. Παρακάτω παρουσιάζεται το ActiveCube ένα μοντέλο τέτοιας διεπαφής που χρησιμοποιείται για την μοντελοποίηση και αλληλεπίδραση με τρισδιάστατα αντικείμενα. ActiveCube Το ActiveCube είναι μία διεπαφή, που επιτρέπει στους χρήστες να κατασκευάζουν και να αλληλεπιδρούν με τρισδιάστατα περιβάλλοντα, μέσω φυσικών απτικών κύβων που είναι εξοπλισμένοι με συσκευές εισόδου-εξόδου, διατηρώντας πάντα την συνοχή (χωρική, χρονική και λειτουργική) μεταξύ του φυσικού αντικειμένου και της γραφικής αναπαράστασης στον υπολογιστή [32]. Εικόνα 23. Παραδείγματα δομών του ActiveCube [32] Περιγραφή λειτουργίας Το ActiveCube αποτελείται από ένα σύνολο άκαμπτων κύβων με ακμές μήκους 5 εκατοστών. Οι επιφάνειες του κάθε κύβου είναι ίδιες μεταξύ τους, κάτι που επιτρέπει στους χρήστες να μπορούν να ενώνουν τους κύβους σχηματίζοντας τρισδιάστατες δομές. Οι κύβοι μπορεί να είναι είτε απλοί που χρησιμεύουν στον σχηματισμό διαφόρων δομών, είτε να έχουν διάφορους αισθητήρες όπως υπερήχους, γυροσκόπια, υπέρυθρες, αισθητήρες θερμοκρασίας κ.α. και συσκευές εισόδου/εξόδου που βοηθούν στην εξασφάλιση πληροφοριών από το περιβάλλον. Ο υπολογιστής παράλληλα με την κατασκευή από τον 45

46 χρήστη, αναγνωρίζει τις δομές, σχηματίζει τις αντίστοιχες εικονικές δομές και τις αναπαριστά στην οθόνη σε πραγματικό χρόνο. Εικόνα 24. Παραδείγματα αισθητήρων ActiveCube [32] Το ActiveCube περιλαμβάνει τους αισθητήρες που λαμβάνουν πληροφορίες από το περιβάλλον καθώς και ένα σύστημα απεικόνισης και τους ενεργοποιητές ώστε να παρουσιάσουν το προσομοιωμένο αποτέλεσμα ή την εσωτερική κατάσταση του συστήματος. Επιπλέον, περιλαμβάνει και κανάλια επικοινωνίας πραγματικού χρόνου, που επιτρέπουν την διατήρηση της συνοχής μεταξύ της πραγματικής τρισδιάστατης δομής που είναι κατασκευασμένη από τους κύβους και της ψηφιακής προσομοιωμένης απεικόνισης στον υπολογιστή [31]. Εικόνα 25.Αλληλεπίδραση χρήστη με το ActiveCube [32] 46

47 Montessori-inspired Manipulatives (MiMs) Σύμφωνα με τον Zuckerman O. και τους συνεργάτες του [33], στην έρευνά του για τις απτικές διεπαφές στην εκπαίδευση, προτείνει έναν επιπλέον διαχωρισμό για την κατηγορία των διεπαφών δομικού τύπου. Με την ονομασία «Froebelinspired Manipulatives» (FiMs), αναφέρονται τα παιχνίδια οικοδόμησης, που βοηθούν τα παιδιά στον σχεδιασμό πραγματικών αντικειμένων και φυσικών δομών. Ενώ τα «Montessori-inspired Manipulatives» (MiMs) αποτελούνται μεν και αυτά από δομικά στοιχεία, αλλά δίνουν βάση σε πιο εννοιολογική μοντελοποίηση και αφηρημένες δομές. Οι αφηρημένες έννοιες είναι πιο δύσκολες στην κατανόηση. Όσον αφορά τους αφηρημένους προβληματικούς χώρους οι απτικές διεπαφές παρουσιάζουν 3 πλεονεκτήματα ως εκπαιδευτικό εργαλείο [33]: Συμμετοχή πολλαπλών αισθήσεων Ο φυσικός τρόπος που μαθαίνουν τα παιδιά είναι να εμπλέκουν πολλές από τις αισθήσεις τους στην δημιουργική διαδικασία. Στην προκειμένη μπορούν να εμπλέκονται η αφή, η όραση, η ακοή. Προσβασιμότητα Βελτιώνει την προσβασιμότητα σε παιδιά μικρότερης ηλικίας, σε παιδιά με μαθησιακές δυσκολίες και αρχάριους. Ομαδική μάθηση Μία διεπαφή που μπορεί να χειριστεί με παραπάνω από ένα χέρια, επιτρέπει την ομαδική αλληλεπίδραση και προάγει την ομαδική συζήτηση. SystemBlocks Η παραδοσιακή χρήση των φυσικών αντικειμένων γινόταν μέχρι σήμερα σε νηπιαγωγεία και δημοτικά σχολεία, για να εισάγουν τα μικρά παιδιά σε αφηρημένες έννοιες όπως η ποσότητα, τα νούμερα, τα κλάσματα κ.τ.λ. Έννοιες όμως δυναμικής συμπεριφοράς όπως αλλαγές με την πάροδο του χρόνου κ.τ.λ. καθιστούν αυτήν την χρήση των φυσικών αντικειμένων ανεπαρκή και την διδασκαλία πρόκληση. Τo SystemBlocks είναι ένα εργαλείο προσομοίωσης για παιδιά, για την διερεύνηση εννοιολογικών συστημάτων, που σχετίζονται με τιμές, συσσώρευση, θετική και αρνητική 47

48 ανατροφοδότηση κ.τ.λ. [33]. Αποτελείται από ξύλινα κυβάκια και ηλεκτρονικά και επιτρέπει στα παιδιά να μοντελοποιήσουν και να εξερευνήσουν δυναμικά συστήματα. Εικόνα 26.To SystemBlocks σε χρήση [34] Περιγραφή Λειτουργίας Το SystemBlocks αποτελείται από 6 τύπους τμημάτων. Ο αποστολέας Όταν πατηθεί στέλνει το νούμερο 1 μέσω καλωδίων Ο συσσωρευτής Δέχεται την είσοδο από την θετική ή την αρνητική θύρα, την προσθέτει ή την αφαιρεί από το συσσωρευμένο επίπεδο και στέλνει μέσω καλωδίων το καινούριο επίπεδο. Η καθυστέρηση Δέχεται την είσοδο, την καθυστερεί για Χ δευτερόλεπτα και έπειτα την στέλνει μέσω των καλωδίων εξόδου. Ο πολλαπλασιαστής Δέχεται την είσοδο, την πολλαπλασιάζει με Χ τιμή και την στέλνει μέσω των καλωδίων εξόδου. Ο μετατροπέας Δέχεται την είσοδο, την αγνοεί και στέλνει το νούμερο 1 σαν έξοδο. Το MIDI Δέχεται μία είσοδο, και αναπαράγει αντίστοιχη νότα που συνδέεται με την τιμή εισόδου (0 127). 48

49 Εικόνα 27.Τμήματα του SystemBlocks [34] Τα παιδιά ενώνουν τους κύβους με καλώδια, και αλληλεπιδρούν με αυτά χρησιμοποιώντας διακόπτες και κουμπιά που είναι τοποθετημένα στην επιφάνειά τους. Όταν δύο κομμάτια συνδεθούν, τότε επιτρέπεται η ροή ψηφιακών δεδομένων από το ένα στο άλλο. Ενώνοντάς τα με διαφορετικούς τρόπους, τα παιδιά μπορούν να δημιουργήσουν διαφορετικών ειδών συστήματα. Εικόνα 28.SystemBlocks [33] Tokens and Constraints Τα Tokens and Constraints (TAC) είναι μία προσέγγιση των απτικών διεπαφών, για φυσική αλληλεπίδραση με ψηφιακή πληροφορία. Η προσέγγιση αυτή συνδυάζει ψηφιακά και φυσικά αντικείμενα, τα «tokens» και τα «constrains» με τέτοιο τρόπο ώστε να χρησιμοποιώντας μηχανικούς περιορισμούς να δίνει την δυνατότητα χειρισμού ψηφιακών δεδομένων και λειτουργιών. Τα tokens είναι φυσικά αντικείμενα που αντιπροσωπεύουν ψηφιακές πληροφορίες ή λειτουργίες. Ως περιορισμοί (constrains) ορίζονται συγκεκριμένες περιοχές όπου μπορούν να τοποθετηθούν τα tokens [27]. Τα TAC έχουν δύο φάσεις 49

50 αλληλεπίδρασης, τον συσχετισμό και τον χειρισμό. Ο συσχετισμός αφορά την αντιστοίχιση των tokens μέσα στα διακριτά όρια των constrains, ενώ παράλληλα με την μηχανική φυσική αντιστοίχιση δημιουργείται και μία υπολογιστική σχέση μεταξύ του token και συγκεκριμένων ψηφιακών ιδιοτήτων και λειτουργιών. Η δεύτερη φάση αλληλεπίδρασης που δεν συναντάται σε όλα τα TAC, αφορά τον χειρισμό των tokens αφού αυτά έχουν τοποθετηθεί εντός των ορίων των constrains. Οι περιορισμοί/constrains περιορίζουν με μηχανικό τρόπο την κίνηση των tokens σε έναν μόνο βαθμό ελευθερίας χειρισμού, για παράδειγμα να μπορούν μόνο να περιστρέφονται ή να κινούνται στον άξονα χ [35]. Εικόνα 29. Σχέση μεταξύ token και constrain [35] MediaBlocks Το MediaBlocks είναι ένα σύστημα απτικής διεπαφής για τον χειρισμό λιστών βίντεο, φωτογραφιών και άλλων πολυμεσικών στοιχείων. Το MediaBlocks αποτελείται από μικρά ξύλινα κυβάκια με ενσωματωμένη ψηφιακή ταυτότητα, που τους επιτρέπει να αντιστοιχίζονται σε διαδικτυακές ψηφιακές πληροφορίες λειτουργώντας ως δοχεία φυσικών URLs. Οι λειτουργίες που επιτελούν είναι δύο. Η πρώτη είναι ότι λειτουργεί ως μηχανισμός συλλογής, μεταφοράς και αναπαραγωγής για διαδικτυακά πολυμέσα που μπορούν να μετακινούνται μεταξύ διαφορετικών συσκευών. Η τοποθέτηση των MediaBlocks σε ειδικές υποδοχές σε συσκευές όπως κάμερες, ψηφιακοί πίνακες, εκτυπωτές και σε άλλες συσκευές, ενεργοποιεί την εγγραφή των πολυμέσων σε έναν online διαδικτυακό χώρο και συνδέει την ψηφιακή πληροφορία με το συγκεκριμένο φυσικό block. Ανάλογα η τοποθέτηση του block σε άλλη συσκευή ενεργοποιεί την αναπαραγωγή της online πληροφορίας με την οποία πλέον είναι συνδεδεμένο. 50

51 Εικόνα 30.Υποδοχές των mediablocks (σε mediablocks: Physical Containers, Transports, and Controls for Online Media) Η δεύτερη λειτουργία του MediaBlocks, χρησιμοποιεί τα blocks σαν φυσικό χειριστήριο σε συσκευή ακολουθίας πολυμέσων. Η τοποθέτησή τους στον φορέα που αποτελείται από «ράφια», συνδέει την φυσική τους θέση με τα ψηφιακά media με τέτοιο τρόπο, ώστε για παράδειγμα όταν τοποθετηθεί ένα block στην αριστερή θέση του «ραφιού» επιλέγεται το πρώτο αρχείο [16]. Εικόνα 31. Χρήση των mediablocks σε συσκευή ακολουθίας [16] Διαδραστικές επιφάνειες Επιτραπέζιο TUI Οι διαδραστικές επιφάνειες (Interactive Surfaces Tabletop TUI) είναι μία υποσχόμενη προσέγγιση για την ενίσχυση του συνεργατικού σχεδιασμού και της προσομοίωσης. Πάνω στην επιφάνεια τοποθετούνται αντικείμενα, την κίνηση των οποίων μπορεί να 51

52 αντιλαμβάνεται η επιφάνεια, παρέχοντας οπτική ανατροφοδότηση. Αυτό το είδος διεπαφής ονομάζεται επιτραπέζια απτική διεπαφή ή απτός πάγκος εργασίας (tangible workbench) [27]. Reactable Το «Reactable» είναι μία μουσική, επιτραπέζια επιφάνεια που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο Pompeu Fabra στην Βαρκελώνη, από το Η επιφάνεια αυτή επιτρέπει την αλληλεπίδραση με πολλαπλή αφή (multi-touch) καθώς και με απτά αντικείμενα μέσω ενός ανοιχτού κώδικα του reactivision, που εντοπίζει τους βασικούς δείκτες (markers) και την συνδυασμένη κίνηση πολλαπλών δακτύλων [36]. Εικόνα 32. The Reactable [36] Περιγραφή λειτουργίας Το Reactable βασίζεται σε μία επιτραπέζια διεπιφάνεια, πάνω στην οποία τοποθετούνται υλικοί-απτοί ακρυλικοί δίσκοι με ετικέτες, που λειτουργούν ως χειριστήρια της συσκευής. Η επιφάνεια που έχει διάμετρο 90 εκατοστά και ύψος επίσης 90 εκατοστά, είναι στρογγυλή και φωτεινή και αλληλεπιδρά με τους δίσκους όταν αυτοί τοποθετούνται πάνω της. Έτσι όταν περιστρέφονται ή πλησιάζουν ο ένας τον άλλο, οι καλλιτέχνες μπορούν να συνδυάσουν 52

53 διαφορετικά στοιχεία όπως synthesizers, εφέ και βρόγχους(loops), δημιουργώντας μοναδικές και ευέλικτες συνθέσεις. Μόλις οι δίσκοι τοποθετούνται πάνω στην επιφάνεια φωτίζονται και αρχίζουν να αλληλεπιδρούν με τους γειτονικούς τους δίσκους σύμφωνα με την θέση και την μεταξύ τους απόσταση. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές είναι ορατές πάνω στην επιτραπέζια επιφάνεια που λειτουργεί σαν οθόνη, επιτρέποντας έτσι την άμεση ανάδραση από το σύστημα, και κάνοντας την μουσική ορατή και απτή. Επιπλέον, οι ερμηνευτές μπορούν να αλλάξουν την συμπεριφορά που επιδεικνύουν τα τοποθετημένα στην επιφάνεια αντικείμενα, αλληλεπιδρώντας με την επιφάνεια, και χωρίς κανέναν περιορισμό στον αριθμό των δαχτύλων που μπορούν να χρησιμοποιήσουν ταυτόχρονα. Η στρογγυλή μορφή του Reactable σχεδιάστηκε ώστε να δίνει την δυνατότητα χρήσης από παραπάνω από έναν ερμηνευτές ταυτόχρονα, ενισχύοντας την συνεργατικότητα μέσα από τις multi-touch δυνατότητες που παρέχει. Η χρήση του θα μπορούσε να είναι πέρα από ψυχαγωγική και δημιουργική ακόμα και εκπαιδευτική, λόγω της συνεργατικής φύσης του [37]. Εικόνα 33.Το Reactable σε χρήση [37] Το Reactable παρουσιάστηκε για πρώτη φορά σε μία συναυλία το 2005, αλλά δύο χρόνια αργότερα γνώρισε μεγάλη δημοτικότητα μέσα από την προβολή του demo βίντεο της εφαρμογής στο YouTube. Αργότερα, το 2007, η παγκοσμίου φήμης Ισλανδή μουσικός Björk το χρησιμοποίησε στην παγκόσμια περιοδεία της [36]. 53

54 2.3.6 Συνεχές Πλαστικό TUI Οι Συνεχείς Πλαστικές Απτικές Διεπαφές (Continuous Plastic TUI) διακρίνεται από την αντικατάσταση των άκαμπτων υλικών των αντικειμένων εισόδου, με ευμετάβλητα υλικά όπως άμμος ή πηλός. Τα υλικά αυτά μπορούν να αλλάζουν μορφή κατά την διάρκεια της αλληλεπίδρασης που αυτό σημαίνει ταυτόχρονη, άμεση αλλαγή και των αναπαραστάσεων [27]. kidcad Το kidcad είναι μία απτική διεπαφή που επιτρέπει στα παιδιά να δημιουργούν παιχνίδια. Τα παιδιά μπορούν χρησιμοποιώντας φυσικά αντικείμενα να αποτυπώσουν σε μία μαλακή επιφάνεια 2.5D σχήματα, να τα τροποποιήσουν, να τα σβήσουν κ.α. και τα οποία ψηφιοποιούνται σε πραγματικό χρόνο. Εικόνα 34. Σύστημα kidcad [38] Περιγραφή λειτουργίας Το kidcad αποτελείται από την εύπλαστη συσκευή εισόδου deform, που επιτρέπει την σάρωση αντικειμένων σε πραγματικό χρόνο καθώς αυτά παραμορφώνουν την ευμετάβλητή του επιφάνεια και μία οθόνη για την τρισδιάστατη απεικόνιση. Υπάρχει επίσης ένα μικρό χειριστήριο που παρέχει την δυνατότητα εντολών όπως ακύρωση, αποθήκευση, επαναφορά. 54

55 Επιπλέον παρέχονται απτικά εργαλεία για τον σχηματισμό ή το σβήσιμο των γεωμετρικών μορφών. Εικόνα 35.Σενάριο Χρήσης του kidcad [38] Ο χρήστης μπορεί να πάρει οποιοδήποτε αντικείμενο, να το πιέσει πάνω στην επιφάνεια του deform, και ταυτόχρονα να εμφανιστεί μία ψηφιακή αναπαράσταση του αντικειμένου στην οθόνη. Ανάλογα μπορεί να σχηματίσει με τα χέρια του οποιαδήποτε μορφή θέλει στην επιφάνειά του. Μπορεί να σχεδιάσει να τροποποιήσει να σβήσει τις μορφές που σχηματίζονται, ενώ με χειρονομίες μπορεί να περιστρέψει ή να μεγεθύνει την ψηφιακή αναπαράσταση. Οι μορφές που σχηματίζονται είναι 2.5D, δηλαδή μισά τρισδιάστατα και έτσι η διεπαφή μπορεί να αντιληφθεί το βάθος. Αργότερα ο χρήστης μπορεί να αποφασίσει αν θέλει το πίσω μέρος του αντικειμένου θα είναι επίπεδο ή ακριβές αντίγραφο της μπροστινής όψης. Όταν ο χρήστης τελειώσει την επεξεργασία του, τότε μπορεί να εκτυπώσει ένα τρισδιάστατο μοντέλο, της απεικόνισης που έχει δημιουργήσει [38] Επαυξημένα Καθημερινά Αντικείμενα Μία άλλη κατηγορία TUI, αφορά αντικείμενα καθημερινής χρήσης, επαυξημένα με ψηφιακή πληροφορία (Augmented Everyday Objects). Η επαυξημένη πραγματικότητα (Augmented Reality, AR), είναι τομέας έρευνας που επικεντρώνεται στην ενσωμάτωση του πραγματικού κόσμου και των υπολογιστικών μέσων, δηλαδή στην ένωση πραγματικού και εικονικού [4]. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις σε αυτήν την έρευνα. Η πιο κοινή προσέγγιση είναι η οπτική 55

56 επικάλυψη της ψηφιακής πληροφορίας στον πραγματικό κόσμο χρησιμοποιώντας συσκευές με επί της κεφαλής οθόνες ή χειρός, ή βίντεο προτζέκτορες. Η δεύτερη προσέγγιση δίνει έμφαση στα φυσικά αντικείμενα παρά στις οπτικές επαυξήσεις, και στον συνδυασμό τους με τα περιβάλλοντα μέσα [24]. The Invisible Train Το Invisible Train, ανήκει στην πρώτη προσέγγιση επαυξημένης πραγματικότητας. Εμπλουτίζει δηλαδή φυσικά αντικείμενα με ψηφιακή αναπαράσταση που γίνεται ορατή μέσω ενός Προσωπικoύ Ψηφιακού Οδηγού (Personal Digital Assistant, PDA). Πρόκειται για ένα παιχνίδι πολλαπλών παικτών, που μπορούν και κατευθύνουν ένα αόρατο εικονικό τρένο πάνω σε πραγματικές ξύλινες γραμμές [39]. Εικόνα 36.Invisible Train [39] Οι ενέργειες που έχουν στην διάθεσή τους οι χρήστες είναι είτε να επιλέξουν μεταξύ δύο ταχυτήτων που θα κινείται το τρένο, είτε να λειτουργούν τους διακόπτες κατευθύνσεων των γραμμών. Και οι δύο ενέργειες πραγματοποιούνται με ελαφρό χτύπημα στην οθόνη του PDA. Οι κόμβοι στις γραμμές μπορεί να έχουν σχήμα Υ ή σχήμα Χ και αναπαριστούνται με 56

57 ημιδιάφανα γραφικά εικονίδια που φαίνονται μέσα από την οθόνη σαν να αιωρούνται πάνω από τις πραγματικές διασταυρώσεις των ξύλινων γραμμών και τα οποία λειτουργούν σαν διαδραστικά κουμπιά. Όταν κάποιο πατηθεί τότε γίνεται πλήρως ορατό. Η εφαρμογή λειτουργεί σε πλήρη συγχρονισμό μεταξύ των συσκευών των παικτών μέσω ασύρματου δικτύου, και το παιχνίδι τελειώνει όταν επέλθει σύγκρουση. HandSCAPE Το HandScape είναι ένα παράδειγμα της δεύτερης προσέγγισης επαυξημένων αντικειμένων. Πρόκειται για μία ψηφιακή μεζούρα (μέτρο), που μπορεί να προσδιορίζει τον προσανατολισμό. Χρησιμοποιείται σαν συσκευή εισόδου για την ψηφιοποίηση μετρήσεων και για την οπτικοποίηση του όγκου διανυσμάτων [40]. Εικόνα 37. Το HandScape [40] Χρησιμοποιεί ενσωματωμένο λογισμικό με αισθητήρες προσανατολισμού για να συλλάβει σχετικά διανύσματα για κάθε γραμμική μέτρηση και ταυτόχρονα μεταδίδει ασύρματα τα δεδομένα σε έναν απομακρυσμένο υπολογιστή σε πραγματικό χρόνο. 57

58 Εικόνα 38. Χρήση του handscape για την βελτιστοποίηση της διάταξης συσκευασιών [40] Τα δεδομένα οπτικοποιούνται και παράγεται ένα 3d μοντέλο το οποίο μπορεί να απεικονιστεί γραφικά σε οθόνη Περιβάλλοντα Μέσα Ως περιβάλλοντα μέσα (Ambient Media) περιγράφεται το είδος των διεπαφών που έχουν σχεδιαστεί για την εξομάλυνση της μετάβασης της προσοχής του χρήστη μεταξύ του επίκεντρου συγκέντρωσης του και των περιβαλλόντων ερεθισμάτων στο παρασκήνιο. Σε πολλές περιπτώσεις δεν μπορεί να θεωρηθεί ξεχωριστή κατηγορία διεπαφής αφού μπορεί να μην συμβαίνουν καθόλου αλληλεπιδράσεις, αλλά ως συνοδευτικό μέσο της διεπαφής που λαμβάνει χώρα στο άμεσο επίκεντρο του χρήστη. Ασχολείται με τον σχεδιασμό ευνόητης μορφής αντιστοιχήσεων στις ψηφιακές πληροφορίες και αναπαριστά μεταβολές με επιδέξιο τρόπο. Τα περιβάλλοντα μέσα μπορεί να περιλαμβάνουν τον ήχο, το φως, τον αέρα, την κίνηση του νερού, και γίνονται αντιληπτά με τις περιφερειακές αισθήσεις [27]. ambientroom Το ambientroom είναι μία εγκατάσταση γραφείου που παρέχει περιβαλλοντικές ενδείξεις όπως φώς, ήχο θερμοκρασία κ.τ.λ. σε συγκεκριμένες περιοχές [41]. 58

59 Εικόνα 39. Το ambientroom και οι ενδείξεις του [41] Στην οροφή έχει τοποθετηθεί μία ένδειξη που προσομοιώνει την κίνηση του νερού και χρησιμεύει στην απεικόνιση κάποιας δραστηριότητας που συμβαίνει από απόσταση. Στην παρούσα εφαρμογή η ένδειξη απεικονίζει την κίνηση ενός χάμστερ στον τροχό του, που προκαλεί κυματισμούς στο νερό ανάλογα με την ένταση και την ταχύτητα. Οι κυματισμοί αντανακλώνται με μία λάμπα στο ταβάνι προκαλώντας σκιές. Έτσι χωρίς να αποσπά την προσοχή του χρήστη από την κύρια του δραστηριότητα μπορεί να του παρέχει μία ένδειξη αντιληπτή με τις περιφερειακές του αισθήσεις για κάτι που συμβαίνει σε άλλον χώρο. Ενδείξεις φωτός αντανακλούνται στον τοίχο δίπλα στον χρήστη αναπαριστώντας την ανθρώπινη κίνηση μέσα στον χώρο εργασίας. Η προσοχή του θα στραφεί σε αυτές αν συμβεί μία ξαφνική αλλαγή στο μοτίβο που υποσυνείδητα έχει συνηθίσει να αντιλαμβάνεται. Πολύ διακριτικές ηχητικές ενδείξεις παίζουν στο γραφείο, με ήχους από πουλιά ή βροχή. Έντονη αλλαγή στους ήχους μπορεί να σημαίνει ότι ο χρήστης έχει πολλά μη αναγνωσμένα μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, η αλλαγή στην τιμή μιας μετοχής. Το ambientroom περιλαμβάνει και δύο απτικά σημεία ελέγχου, αυτά των μπουκαλιών και του ρολογιού. Τα μικρά μπουκάλια λειτουργούν ως δοχεία ψηφιακής πληροφορίας, που όταν ανοιχτούν ελευθερώνουν στο δωμάτιο ήχους από κίνηση στους δρόμους, που η έντασή τους μπορεί να συνδεθεί με οποιαδήποτε πληροφορία θέλουν να μεταδώσουν, αλλά πιο συγκεκριμένα σε αυτήν την περίπτωση μεταδίδουν πληροφορία που αφορά την κίνηση στο δίκτυο υπολογιστών. Το δεύτερο σημείο ελέγχου είναι ένα ρολόι τοίχου, όπου οι δείχτες του 59

60 λειτουργούν σαν χειριστήριο μετάβασης μεταξύ χρονικών συμβάντων. Με την περιστροφή των δεικτών σε προηγούμενη ώρα ο χρήστης είναι δυνατόν να ανατρέξει στις ενδείξεις του γραφείου που συνέβησαν στον χρόνο που επιδεικνύουν, ή περιστρέφοντάς τους σε μελλοντικό χρόνο να έχει ένδειξη για πρόβλεψη αυτών που έπονται. 60

61 3. Διεπαφές Έξυπνων Υλικών Εισαγωγή Οι απτικές διεπαφές ήταν οι πρώτες που έκαναν χρήση της αλλαγής σχήματος για να ενσωματώσουν την ψηφιακή πληροφορία με τον φυσικό κόσμο, και δημιούργησαν ποικίλες και ενδιαφέρουσες μεθόδους αλληλεπίδρασης. Οι εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών, φέρνουν συνεχώς στο προσκήνιο νέα υλικά και νέες διαδικασίες παραγωγής, ενώ στον τεχνολογικό τομέα τα ηλεκτρονικά γίνονται ολοένα και πιο μικρά, διευρύνοντας τις δυνατότητες σχεδιασμού και παραγωγής συστημάτων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα λεγόμενα έξυπνα υλικά εξαιτίας των ξεχωριστών ιδιοτήτων τους όπως ηλεκτρομαγνητικές, πιεζοηλεκτρικές, ηλεκτροστατικές κ.α. [42]. Ως έξυπνα ή νοήμονα ή ευφυή υλικά, αναφέρονται τα υλικά που έχουν εγγενείς αισθητήρες και ενεργοποιητές, και μπορούν να ελέγχουν ή να επεξεργάζονται πληροφορίες στην μικροδομή τους. Τα έξυπνα υλικά και οι δομές, είναι σε θέση να ανταποκρίνονται στις περιβαλλοντολογικές αλλαγές, και να εκδηλώνουν τις δικές τους λειτουργίες σύμφωνα με τις αλλαγές αυτές. Μπορούν να ανταποκριθούν με προκαθορισμένο τρόπο και σε συγκεκριμένη χρονική διάρκεια σε κάποιο ερέθισμα, και μπορούν να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση όταν το ερέθισμα απομακρυνθεί [43]. Οι διεπαφές με έξυπνα υλικά είναι εξέλιξη των οργανικών διεπαφών και κατ επέκταση των απτικών διεπαφών. Το έξυπνο υλικό χάρη στις ιδιότητές του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος προς την διεπαφή ή ως έξοδος, όπου η αλλαγή στο σχήμα, στο χρώμα, στο μέγεθος κ.α. αναπαριστά πληροφορίες. Η χρήση τους στις διεπαφές δεν σταματά μόνο εκεί. Τα έξυπνα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις διεπαφές ακόμα και ως αισθητήρες ή ενεργοποιητές αντικαθιστώντας άλλους πιο πολύπλοκους μηχανισμούς και απλοποιώντας την σχεδίαση των διεπαφών. Με την εξερεύνηση των έξυπνων υλικών είναι δυνατόν να αναμορφωθούν ριζικά οι τρόποι με τους οποίους ο χρήστης μπορεί να αλληλεπιδράσει και να επικοινωνήσει με τα υπολογιστικά συστήματα. Είναι πλέον δυνατόν να δημιουργηθούν υπολογιστικά αντικείμενα και χώροι πιο αισθητήριοι, όπου θα μπορούν να αξιοποιήσουν τα ψηφιακά μέσα διατηρώντας παράλληλα τη διαίσθηση των χρηστών για την συμπεριφορά και τις δυνατότητες του υλικού κόσμου. Με τα έξυπνα υλικά είναι δυνατή η ενσωμάτωση 61

62 αισθητήρων, ενεργοποιητών, διανομής ενέργειας και επικοινωνίας, για την υποστήριξη του σχεδιασμού πανταχού παρόντων υπολογιστικών συστημάτων [44]. 62

63 3.1 Τα Έξυπνα Υλικά Τα έξυπνα υλικά περιλαμβάνουν υλικά που είναι σε θέση να αντιστρέψουν την μεταβολή στο σχήμα τους ή στην διάστασή τους, κατόπιν ενός ή περισσότερων ερεθισμάτων μέσω εξωτερικών επιδράσεων, όπως την επίδραση του φωτός, της θερμοκρασίας, της πίεσης, ενός ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου, ή μιας χημικής ουσίας. Μεταξύ αυτών υπάρχουν υλικά και προϊόντα που μπορούν να αλλάξουν το σχήμα τους χωρίς να αλλάξουν τις διαστάσεις τους, και άλλα που διατηρούν ίδιο το σχήμα τους αλλά αλλάζουν τις διαστάσεις τους. Υπάρχουν και άλλα που μπορούν να κάνουν και τις δύο αλλαγές ταυτόχρονα [45]. Κάποιες από τις κατηγορίες των έξυπνων υλικών είναι τα Πιεζοηλεκτρικά υλικά, τα Ηλεκτροενεργά Πολυμερή, τα Μορφομνήμονα Υλικά και τα Ηλεκτρορεολογικά (Electroreological, ER fluids) και Mαγνητορεολογικά (Magnetorheological, MR fluids) ρευστά [46]. Παρακάτω παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες των Μορφομνήμονων Υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται στις διεπαφές έξυπνων υλικών Κατηγορίες Μορφομνήμονων Υλικών Τα Μορφομνήμονα Υλικά (Shape Memory Materials, SMMs) είναι μία κατηγορία υλικών τα οποία έχουν την μοναδική ιδιότητα να διατηρούν το προσωρινό τους σχήμα μέχρις ότου τους ασκηθεί το κατάλληλο ερέθισμα, που θα τους επιτρέψει να επανέλθουν στο αρχικό μόνιμο σχήμα τους. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως Φαινόμενο της Πλαστικής Μνήμης (Shape Memory Effect, SME) και είναι χαρακτηριστικό που φέρουν όλα τα SMMs. Τα περισσότερα SMΜs επανέρχονται στο αρχικό τους σχήμα μόνο αφού θερμανθούν. Ωστόσο κάποια από αυτά μπορούν να ενεργοποιηθούν από μεταβολές της πίεσης, του μαγνητικού ή ηλεκτρικού πεδίου, μεταβολές της τιμής του ph, την υπεριώδη ακτινοβολία ή ακόμα και από την επαφή με το νερό. Συνολικά υπάρχουν πέντε βασικές κατηγορίες Mορφομνήμονων Yλικών, οι οποίες έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Αυτές είναι, τα Mορφομνήμονα Kράματα (Shape Memory Alloys, SMAs), τα Μορφομνήμονα Πολυμερή ( Shape Memory Polymers, SMPs), τα Μορφομνήμονα Υβριδικά (Shape Memory Hybrids, SMHs), τα Mορφομνήμονα Gel (Shape Memory Gels, SMGs) και τα Mορφομνήμονα Κεραμικά (Shape Memory Ceramics, SMCs) [46]. 63

64 Μορφομνήμονα Κράματα Μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις στο πεδίο των SMAs έγινε τυχαία το 1962, από μια ομάδα ερευνητών του Αμερικανικού Naval Ordance Laboratory με επικεφαλής τον William Beuhler, καθώς μελετούσαν την αντίσταση στη θέρμανση και στη διάβρωση ενός κράματος Ni-Ti [46]. Εξαιτίας της παρουσίας τους στην αγορά, της μακροχρόνιας εφαρμογής τους καθώς και της ισχυρής τους επίδρασης στην μνήμη σχήματος, τα SMA και συγκεκριμένα τα κράµατα Νικελίου-Τιτανίου(NiTi) ή αλλιώς Νίτινολ είναι πλέον τα πιο διαδεδομένα υλικά με ιδιότητες αλλαγής σχήματος που χρησιμοποιούνται στην σχεδιαστική μελέτη συσκευών [42]. Τα μορφομνήμονα κράματα παρουσιάζουν δύο μοναδικά χαρακτηριστικά το Φαινόμενο της Πλαστικής Μνήμης και την Υπερελαστικότητα. Το φαινόμενο της πλαστικής μνήμης είχε παρατηρηθεί για πρώτη φορά το 1930 όταν ο Σουηδός φυσικός Arne Olander, καθώς εργαζόταν με ένα κράμα χρυσού καδμίου (Au-Cd), ανακάλυψε ότι το κράμα αυτό μπορούσε να παραμορφωθεί πλαστικά σε χαμηλή θερμοκρασία και στη συνέχεια με θέρμανση να επιστρέψει τις αρχικές του διαστάσεις [46]. Το χαρακτηριστικό προέρχεται από τη µετατροπή φάσης των χαρακτηριστικών του υλικού. Σε ένα κράµα που έχει µνήµη σχήματος προκύπτει µια στερεά κατάσταση μεταβολής φάσης µια µοριακή αναδιάταξη που είναι εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία και είναι αναστρέψιµη. Για παράδειγμα, το υλικό µπορεί να πάρει το σχήµα του µέσα σε έναν σχεδιασµό σε υψηλή θερμοκρασία, και να απολέσει σε δραµατικό βαθµό τη µορφή του ενώ βρίσκεται σε χαµηλή θερμοκρασία, και µετά να επιστρέψει στο αρχικό του σχήµα µε την εφαρμογή της όποιας θερµότητας, συμπεριλαμβανομένης αυτής που εκπέμπεται µέσω του ηλεκτρικού ρεύματος. Η επίδραση της µνήµης σχήματος σχετίζεται επίσης µε το φαινόμενο της υπερελαστικότητας της ικανότητας που έχει ένα υλικό να υφίσταται πολύ µεγάλη ελαστικότητα ή αναστρέψιµες παραμορφώσεις [47]. Κατά το φαινόμενο της Υπερελαστικότητας ή Ψευδό-ελαστικότητας το οποίο προκαλείται μηχανικά, το υλικό έχει την ιδιότητα να επανακτά πλήρως το αρχικό του σχήμα αφού έχει δεχτεί μεγάλες παραμορφώσεις της τάξεως του 5-8%. Η ικανότητα αυτή οφείλεται στο μαρτενσιτικό μετασχηματισμό, ο οποίος προκαλείται όχι από αύξηση της θερμοκρασίας όπως συμβαίνει κατά την εμφάνιση του φαινομένου της πλαστικής μνήμης αλλά από την εφαρμογή τάσης. Κατά την φόρτιση, ο ωστενίτης μετατρέπεται σε μαρτενσίτη, φάση στην οποία το υλικό είναι μαλακό και εύκολα παραμορφώσιμο. Κατά την αποφόρτιση λαμβάνει 64

65 χώρα ο αντίστροφος μαρτενσιτικός μετασχηματισμός, ενώ το υλικό επανέρχεται πλήρως στην αρχική του μορφή [46]. Και τα δύο πρωταρχικά φαινόμενα που συσχετίζονται µε τις επιδράσεις της µνήµης σχήματος οι επιδράσεις που προκαλούνται θερµικά και αυτές που προκαλούνται µηχανικά έχουν άµεσες εφαρμογές. Στη επίδραση της µνήµης σχήματος που σχετίζεται µε το θερµικό περιβάλλον, όταν ένα υλικό παραμορφώνεται σε χαμηλή θερμοκρασία και επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα όταν θερμαίνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, δημιουργείται µια υψηλή δύναµη µέσω ενός υλικού που αλλάζει φάση. Έτσι, το υλικό µπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ενεργοποιητής σε πάρα πολλές εφαρμογές. Συνήθως το υλικό παρέχει µια πρωταρχική δύναµη ή ενεργοποιητική κίνηση όντας µέρος µιας µεγαλύτερης συσκευής. Δεδομένου ότι η δύναµη και η κίνηση λαµβάνουν χώρα µέσα στο ίδιο το υλικό, οι συσκευές που το χρησιμοποιούν, συχνά, είναι πολύ απλές συγκρινόμενες µε τους πιο παραδοσιακούς µηχανολογικούς ενεργοποιητές. Η θερµότητα µε τη µορφή του ηλεκτρικού ρεύματος είναι εύκολο να εφαρμοστεί και να ελεγχθεί ηλεκτρονικά. Επομένως, τα κράµατα µε µνήµη σχήματος μπορούν να έχουν ευρεία εφαρμογή σε συσκευές και διεπαφές [47]. Μορφομνήμονα Πολυμερή Τα μορφομνήμονα πολυμερή είναι μία ομάδα έξυπνων υλικών, που έχουν την ιδιότητα να επανακτούν το σχήμα τους αφού έχουν δεχτεί τεράστιες παραμορφώσεις μέχρι και 400%, αν εκτεθούν στο κατάλληλο ερέθισμα [46]. Τα μορφομνήμονα πολυμερή παρουσιάστηκαν για πρώτη φορά στην Ιαπωνία το 1984 και από τότε έχουν αποκτήσει μεγάλη προσοχή. Τα πολυμερή στις υψηλές θερμοκρασίες συμπεριφέρονται ως λάστιχα ενώ σε χαμηλές θερμοκρασίες ως γυαλί. Λόγω του χαμηλότερου μέτρου ελαστικότητας, τα πολυμερή μπορούν να υποβληθούν σε πολύ μεγάλη παραμόρφωση σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Επειδή το μέτρο ελαστικότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι τουλάχιστον δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο, η αποθηκευμένη ελαστική τάση δεν είναι αρκετά μεγάλη ώστε να οδηγήσει την αντίστροφη παραμόρφωση στην υαλώδη κατάσταση όταν το φορτίο αφαιρεθεί. Ως αποτέλεσμα η παραμόρφωση μπορεί να μείνει σταθερή στην υαλώδη κατάσταση, κατά την ψύξη ή την ψύξη υπό φόρτιση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Συνήθως τα απλά πολυμερή δεν μπορούν να αποκαταστήσουν πλήρως την εναπομένουσα ανελαστική τους παραμόρφωση κατά την επαναθέρμανσή τους. Αντιθέτως τα μορφομνήμονα πολυμερή μπορούν να ανακτήσουν το σύνολο σχεδόν της παραμένουσας παραμόρφωσης [43]. 65

66 Οι εφαρμογές είναι τεράστιες, δεδομένου ότι τα πολυµερή µπορούν να κατασκευαστούν εύκολα σε πολλές διαφορετικές µορφές. Οι ιατρικές εφαρμογές, για παράδειγμα, περιλαμβάνουν την ανάπτυξη πολυµερών νηµάτων που έχουν µνήµη σχήματος προκειμένου να χρησιμοποιηθούν στις χειρουργικές επεµβάσεις σαν κόµποι που δένονται µόνοι τους. Τα νήµατα χρησιμοποιούνται για να συνδεθούν τα αιµοφόρα αγγεία. Στα νήµατα δίνεται ένα αρχικό σχήµα, τυλίγονται γύρω από ένα αγγείο, και, όπως η θερµότητα του σώµατος λειτουργεί στο πολυµερές, το νήµα δένεται σε κόµπο (το σχήµα που θυµάται) [47]. Μορφομνήμονα Υβριδικά Tα μορφομνήμονα υβρίδια, είναι σύνθεση δύο ή περισσότερων συνηθισμένων υλικών (μέταλλα, οργανικά, ανόργανα), οι ιδιότητες των οποίων είναι πλήρως κατανοητές, που όμως δεν παρουσιάζουν το φαινόμενο της πλαστικής μνήμης το καθ' ένα από αυτά ξεχωριστά. Τα συστατικά μέρη ενός SMH δεν πρέπει να αλληλεπιδρούν χημικά μεταξύ τους, έτσι ώστε να διατηρούνται στο μέγιστο οι ανεξάρτητες ιδιότητες των συστατικών υλικών. Αυτό δίνει την δυνατότητα να δημιουργηθούν υλικά που να φέρουν τις επιθυμητές ιδιότητες για χρήση στην εκάστοτε εφαρμογή [46]. Μορφομνήμονες Γέλες Οι μορφομνήμονες γέλες ή έξυπνες γέλες, είναι σύνθετα υλικά δύο συστατικών, των οποίων οι πολυμερικές αλυσίδες ενώνονται μεταξύ τους με σταυροειδής δεσμούς [46]. Μπορούν να αλλάξουν εύκολα το μέγεθος και το σχήμα τους και να συρρικνωθούν ή να διογκωθούν ως αντίδραση σε απειροελάχιστες αλλαγές στις περιβαλλοντολογικές συνθήκες, όπως στην θερμοκρασία, στο φως, στο ph, σε βιοχημικά στοιχεία κ.α., ανάλογα με την ακριβή δομή της γέλης και της χημικής σύνθεσης του διαλύτη και της γέλης. Με την υποβολή τους σε μεταβάσεις φάσης, που συνοδεύονται από αναστρέψιμες, συνεχείς ή διακριτές μεταβολές στον όγκο κατά τρεις τάξεις μεγέθους, οι γέλες παρέχουν δυνατότητες δύναμης ενεργοποίησης παρόμοιες με εκείνες των ανθρωπίνων μυών. Επιπλέον τα μαλακά υλικά εμφανίζουν μία εύκαμπτη κίνηση που συνήθως παρατηρείται σε φυσικά βιολογικά συστήματα. Το κύριο μειονέκτημα των γελών είναι η ανεπιθύμητη χημική και μηχανική τους υστέρηση [43]. Μορφομνήμονα Κεραμικά Το φαινόμενο της πλαστικής μνήμης στα μορφομνήμονα κεραμικά μπορεί να οφείλεται είτε στον αντίστροφο μαρτενσιτικό μετασχηματισμό, που συναντάμε στα SMAs, είτε σε ένα 66

67 πολυφασικό σύστημα που προσομοιάζει με το διπλό τερματικό σύστημα των SMPs. Οι δυνατότητες ανάκτησης σχήματος που έχουν τα SMCs, είναι πολύ περιορισμένες και δεν ξεπερνούν το 1% της παραμόρφωσης [46] Ιδιότητες Έξυπνων Υλικών Παρακάτω γίνεται μία κατηγοριοποίηση των ιδιοτήτων των έξυπνων υλικών με βάση την πιθανή αξιοποίηση τους από τους σχεδιαστές για την δημιουργία αντικειμένων και διεπαφών, όπως αυτά καταγράφονται από τον Coelho και τους συνεργάτες του [42]. Εικόνα 40.Ιδιότητες έξυπνων υλικών [42] Αντοχή στην παραμόρφωση και ενεργειακές απαιτήσεις Οι ιδιότητες αυτές είναι αντιστρόφως ανάλογες και παίζουν σημαντικό ρόλο στον περιορισμό χαρακτηριστικών, όπως το μέγεθος ή την κινητικότητα. Δηλαδή, όπως ακριβώς συμβαίνει και στον σχεδιασμό των παραδοσιακών ενεργοποιητών. Για παράδειγμα, κράματα με μνήμη σχήματος (SMA) όταν χρησιμοποιούνται για την δημιουργία καλωδίων σε μεγάλες διαμέτρους είναι απίστευτα ισχυρά, αλλά οι ενεργειακές τους απαιτήσεις αυξάνουν σημαντικά καθώς το μήκος τους αυξάνεται, καθιστώντας την χρήση τους σε δέσμες ανέφικτη. Οι ενεργειακές απαιτήσεις παίζουν επίσης,σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του τρόπου με τον οποίο το υλικό θα πρέπει να συνδεθεί με ηλεκτρονικά κυκλώματα και να ελέγχεται. Ταχύτητα και Ανάλυση Οι ιδιότητες αυτές καθορίζουν τη συχνότητα και την ακρίβεια με την οποία ένα υλικό μπορεί να ελεγχθεί. Υλικά με γραμμική απόκριση, όπως τα πιεζοηλεκτρικά φιλμ, μπορούν να ελεγχθούν με εξαιρετική ακρίβεια για αυτό και χρησιμοποιούνται σε μικροσκόπια ή μικρούς 67

68 γραμμικούς ενεργοποιητές. Παράλληλα, τα ηλεκτροσυστολικά υλικά ενώ είναι γρήγορα, είναι μη γραμμικά, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολο τον ακριβή έλεγχο των λεπτομερειακών κινήσεων. Ο αριθμός των Memory Shapes Ο αριθμός των ενεργών Memory Shapes καθορίζει αρχικά, τον αριθμό των φυσικών διαμορφώσεων που μπορεί να πάρει ένα υλικό και, ακόμη, το αν είναι απαραίτητος ένας αντίστροφος-ενεργοποιητής ο οποίος θα επιτρέπει την επιστροφή του υλικού στο αρχικό του σχήμα. Ορισμένα ηλεκτροενεργά πολυμερή (EAP), για παράδειγμα, έχουν δύο παραμορφώσεις σχήματος και μπορεί να ελεγχθεί η μετάβαση από το ένα στο άλλο, ενώ ένα SMA υλικό έχει μόνο μία-χρησιμοποιήσιμη μνήμη σχήματος και απαιτεί εξωτερική ενέργεια στον ενεργοποιητή για να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα. Ποιότητα μετάβασης Υλικά των οποίων η μετάβαση ξεκινά από μια εύπλαστη σε μια άκαμπτη κατάσταση μνήμης, όπως τα SMA υλικά, είναι ικανά να ενεργοποιήσουν και άλλα υλικά χωρίς να απαιτείται καμία εξωτερική δύναμη. Ωστόσο, τα υλικά των οποίων η μετάβαση ξεκινά από μια άκαμπτη σε μια εύπλαστη κατάσταση μνήμης, όπως τα πολυμερή με μνήμη σχήματος (SMP), γίνονται πολύ αδύναμα όταν είναι ενεργά ώστε να ασκήσουν οποιαδήποτε σχετική δύναμη σε άλλα υλικά. Εκπαιδευσιμότητα Η δυνατότητα να δώσεις στα έξυπνα υλικά νέα μνημονικά σχήματα. Η συμπεριφορά των SMA υλικών μπορεί να οριστεί αμέτρητες φορές, ενώ στα SMP υλικά μπορεί μόνο κατά την διάρκεια παραγωγής τους/χύτευσης Αναστρεψιμότητα Είναι η δυνατότητα του υλικού να μπορεί να ανακάμψει πλήρως από τις διάφορες μεταβάσεις μνημονικού σχήματος χωρίς να υπάρχει σημαντική φθορά. Αυτή είναι στενά συνδεδεμένη με την έννοια της κόπωσης, όπου το υλικό που μπορεί προοδευτικά να φθαρεί με την πάροδο του χρόνου (διάβρωση) μέχρι να χάσει τις ιδιότητές αλλαγής σχήματος. Για παράδειγμα, τα SMA υλικά μπορούν να επαναλάβουν αμέτρητους μνημονικούς κύκλους, αλλά κάτω από μεγάλη πίεση, μπορεί να αποκτήσουν ένα νέο μνημονικό σχήμα και να "ξεχάσουν" το προηγούμενο. 68

69 Ερέθισμα εισόδου Πρόκειται για την φύση του ερεθίσματος που απαιτείται για να προκαλέσει την αλλαγή του σχήματος, αυτή μπορεί να είναι ένα δυναμικό τάσης, ή η μεταβολή στο ρη, ή η θερμότητα. Αυτό επίσης, επηρεάζει βαθύτατα την εξοικονόμηση ενέργειας καθώς και την φύση της υποδομής που απαιτείται για την ηλεκτρονική ενεργοποίηση του υλικού ή τη μέτρηση του βαθμού μετατροπής. Αμφίδρομη Κατεύθυνση Πρόκειται για την δυνατότητα του υλικού να αλλάζει σχήμα κάτω από ένα ερέθισμα, αλλά και να δημιουργεί το ίδιο ερέθισμα όταν αυτό φυσικά παραμορφώνεται. Αυτή είναι μια σημαντική ιδιότητα, ιδιαίτερα στο σχεδιασμό διαδραστικών συστημάτων, όπου είναι τρομερά ενδιαφέρον το να αντιλαμβάνεται την αφή και να συγκεντρώνει πληροφορίες για το πώς ένας χρήστης τροποποιεί ή παρέχει αντίσταση στην αλλαγή σχήματος. Πολλά υλικά έχουν αυτή τη δυνατότητα, όπως τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες δονήσεων ή για συσκευές αποθήκευσης ενέργειας καθώς και τα SMA υλικά που αυξάνουν την θερμοκρασία, όταν παραμορφώνονται φυσικά. Περιβαλλοντική Συμβατότητα Η δυνατότητα του υλικού να λειτουργεί στο ίδιο περιβάλλον με την εφαρμογή του. Για τις περισσότερες περιπτώσεις, αυτό μεταφράζεται σε ξηρά περιβάλλοντα με θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ωστόσο, ορισμένα ιονικά ΕΑΡ (Electroactive Polymers) υλικά, χρειάζεται να βυθίζονται σε ένα υδατικό μέσο που περιέχει ιόντα για να αναπτύξουν αυτή τη δυνατότητα, όπως αλατούχο διάλυμα, αίμα, ούρα, πλάσμα, ή μέσο κυτταρικής καλλιέργειας, το οποίο τα καθιστά ιδανικά για ιατρικές εφαρμογές, αλλά μη πρακτικά για καθημερινή χρήση. Συνοχή Η φυσική κατάσταση ενός υλικού (αν είναι ένα στερεό ή υγρό) παίζει ρόλο για τα είδη εφαρμογής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί καθώς και στην υποδομή που απαιτείται για τη χρήση του. Η υγρή μορφή στα έξυπνα υλικά, για παράδειγμα, όπως τα ferrofluids και τα μαγνητοροϊκά ρευστά, απαιτεί την εναπόθεση τους μέσα σε άλλες συμπαγείς δομές οι οποίες μπορούν αποτρέψουν τη διαρροή ή την επαφή με άλλες ουσίες. 69

70 3.1.3 Αλλαγή σχήματος υλικού Οι αλλαγές που μπορούν να γίνουν στο σχήμα του υλικού κατηγοριοποιούνται σύμφωνα με τον Rasmussen και τους συνεργάτες του [48], ως εξής: Αλλαγές στον προσανατολισμό Οι αλλαγές στον προσανατολισμό σημαίνουν παραμόρφωση του αρχικού σχήματος μέσω περιστροφών ή αλλαγών της κατεύθυνσης, διατηρώντας παράλληλα την αναγνωρισιμότητα της αρχικής μορφής. Ένα παράδειγμα θα ήταν μία ράβδος που μπορεί να λυγίζει ή να περιστρέφεται. Αλλαγές στη μορφή Οι αλλαγές που μπορούν να συμβούν στην μορφή ενός υλικού ορίζονται από μετασχηματισμούς που διατηρούν κατά προσέγγιση τον όγκο καθώς αλλάζουν την συνολική μορφή. Για παράδειγμα ένα αντικείμενα σε σχήμα κύβου μπορεί να μετατρέπεται σε σφαίρα. Αλλαγές στον όγκο Οι αλλαγές στον όγκο που χρησιμοποιούνται στις έξυπνες διεπαφές διατηρούν κατά προσέγγιση την αρχική μορφή. Για παράδειγμα μπορεί η μορφή να προσομοιώνει το «φούσκωμα» και «ξεφούσκωμα». Αλλαγές στην υφή Οι αλλαγές που αφορούν την υφή είναι μικρές αλλαγές που συμβαίνουν στην επιφάνεια του σχήματος και προσθέτουν οπτικές και απτικές ιδιότητες χωρίς να αλλάζουν την συνολική μορφή. Αλλαγές στη ρευστότητα Η αλλαγή αυτή μπορεί να οδηγήσει είτε στην αλλαγή σχήματος είτε στην ψευδαίσθηση της αλλαγής σχήματος, όπου αλλάζει η ρευστότητα αλλά η αρχική μορφή του σχήματος διατηρείται. Για παράδειγμα πιέζοντας μία επιφάνεια μπορεί η αίσθηση να είναι ότι η επιφάνεια είναι σκληρή, αλλά στην πορεία αυτή να ρευστοποιείται με αποτέλεσμα το δάχτυλο να βυθίζεται, δίνοντας την αίσθηση μαλακής επιφάνειας. 70

71 Αλλαγές στη χωρικότητα Η αλλαγή της θέσης ενός στοιχείου στον χώρο δεν δημιουργεί από μόνη της την ψευδαίσθηση της αλλαγής σχήματος, αλλά είναι μία απλή μετακίνηση. Αν όμως θεωρήσουμε πολλά μικρά στοιχεία σαν μέρος μίας μεγαλύτερης δομής, τότε η μετακίνηση του εκάστοτε στοιχείου μοιάζει σαν να αλλάζει μορφή η συνολική δομή. Αναφέρονται ακόμα και άλλες δύο κατηγορίες αλλαγών που δεν είναι τοπολογικώς ισοδύναμες όπως οι παραπάνω κατηγορίες δηλαδή να μπορούν να περνούν από την μία μορφή στην άλλη μέσω συνεχούς παραμόρφωσης, χωρίς να υπάρχουν διαχωριστικά ή συνδετικά στοιχεία. Αλλαγή μέσω προσθαφαίρεσης στοιχείων Αυτού του είδους η αλλαγή σχήματος επιτυγχάνεται με μετασχηματισμούς που ενώνουν ή χωρίζουν στοιχεία, ενώ είναι σε θέση να επιστρέψουν στην αρχική μορφή ή μορφές τους. Το σχήμα μπορεί να σπάσει ομοιόμορφα, για παράδειγμα ένα μαγνητικό ρευστό είναι σε θέση να χωριστεί και να συγχωνευτεί κάτω από την επιρροή ενός μαγνητικού πεδίου. Αλλαγές στη διαπερατότητα Αυτή η κατηγορία ορίζεται από μετασχηματισμούς όπου το σχήμα είναι διάτρητο αλλά διατηρεί την ικανότητα να επιστρέψει στην αρχική του μορφή. Για παράδειγμα μέρη μιας επιφάνειας μπορούν να ανοίξουν και να κλείσουν για να ρυθμίσουν την ροή του αέρα ή του φωτός. 71

72 Εικόνα 41. Σχήμα με κατηγορίες αλλαγής του σχήματος υλικού [48]. 72

73 3.2 Η χρήση της αλλαγής σχήματος στις διεπαφές Οι διεπαφές με έξυπνα υλικά προσπαθούν να ξεπεράσουν τους περιορισμούς των απτικών διεπαφών, και να ξεφύγουν από το «ψηφιακό συναίσθημα» που αυτές προσφέρουν, δημιουργώντας έναν πιο αναλογικό και συνεχή χώρο αλληλεπίδρασης. Στόχος των SMI (Smart Material Interfaces) είναι να καταφέρουν να επιφέρουν φυσικές και υλικές αλλαγές στα προϊόντα της εξόδου του συστήματος, αλλά να χρησιμοποιηθούν και ως είσοδος ακόμα και ταυτόχρονα. Αυτό πραγματοποιείται συνδέοντας πολύ στενά τον ψηφιακό με τον αναλογικό κόσμο με μέσο τις ιδιότητες των έξυπνων υλικών. Η απτή διεπαφή εδώ λειτουργεί όχι μόνο ως το μέσο ελέγχου και εισόδου αλλά και ως το μέσο απεικόνισης και εξόδου αντικαθιστώντας την οθόνη, και ενσωματώνοντας την επαυξημένη πληροφορία κατευθείαν μέσα στο φυσικό αντικείμενο [49] Soft mechanics Απλές μηχανές όπως η τροχαλία, το κεκλιμένο επίπεδο, ο τροχός, επινοήθηκαν για να κατασκευάζονται από υλικά όπως το ξύλο και ο χαλκός, αφού τα υλικά αυτά παρείχαν επιθυμητές ιδιότητες, για παράδειγμα αντοχή και ακαμψία. Πλέον όμως με την εφαρμογή των έξυπνων υλικών όπως μορφομνήμονα κράματα και πολυμερή, οι μηχανές μπορούν να κατασκευαστούν από εύπλαστα υλικά, και η ενεργοποίησή τους να συμβαίνει από τις αλλαγές μεταξύ καταστάσεων μνήμης και ελαστικότητας. Αυτά τα συστήματα ονομάζονται soft mechanics, δηλαδή τα συστήματα που βασίζονται στην χρήση έξυπνων υλικών και είναι ικανά να παράγουν κίνηση μέσω των μεταβάσεων από διαφορετικές καταστάσεις μνήμης και ελαστικότητας [50]. Τα Soft Mechanics αποτελούν μία πολύ δυναμική σχεδιαστική προσέγγιση. Ο μετασχηματισμός δεν συμβαίνει στα μηχανικά μέρη του συστήματος αλλά στο ίδιο το υλικό. Αυτό δίνει την δυνατότητα της ύπαρξης ακόμα και biomimetic ρομπότ που θα μπορούν να γίνονται επίπεδα για να αποκτήσουν πρόσβαση σε μη προσβάσιμους χώρους και έπειτα να μπορούν να ξαναπαίρνουν την αρχική τους μορφή. Οι σχεδιαστές καλούνται τώρα να σχεδιάζουν με μία πιο ολιστική προσέγγιση, όπου τα επί μέρους στοιχεία θα μπορούν να αναλαμβάνουν διαφορετικούς ρόλους ανάλογα με το εκάστοτε εξωτερικό ερέθισμα [42]. 73

74 3.2.2 Ο ρόλος της αλλαγής σχήματος στις διεπαφές Με στόχο την κατανόηση των διεπαφών με έξυπνα υλικά είναι αναγκαία η μελέτη των σκοπών των οποίων εξυπηρετεί η αλλαγή σχήματος γενικά σαν μέθοδος αλληλεπίδρασης μεταξύ του χρήστη και της διεπαφής. Ο Rasmussen και οι συνεργάτες του [48] περιγράφουν τέσσερις κύριους λόγους που χρησιμοποιείται αλλαγή σχήματος στις διεπαφές. Αυτοί είναι λειτουργικοί, ηδονικoί, ερευνητικοί σκοποί, και για να τροφοδοτούν το χώρο με εργαλεία για το σχεδιασμό διεπαφών που μπορούν να αλλάζουν μορφή. Λειτουργικοί σκοποί της αλλαγής σχήματος Ο κύριος λειτουργικός σκοπός της αλλαγής σχήματος είναι να επικοινωνήσει πληροφορία. Η αλλαγή σχήματος χρησιμοποιείται για να κωδικοποιηθεί η πληροφορία με ένα πιο εκφραστικό ή αποτελεσματικό τρόπο. Για παράδειγμα μπορεί το υλικό να γίνεται λεπτότερο σε κάποιο σημείο ως ένδειξη της κατεύθυνσης που πρέπει να κινηθεί ο χρήστης. Σε άλλες περιπτώσεις, οι αλλαγές σχήματος χρησιμοποιούνται ως απεικονίσεις και οπτικοποιήσεις πληροφοριών. Οι δυναμικές δυνατότητες χρήσης(affordances) είναι ένας άλλος λειτουργικός σκοπός, όπου η αλλαγή σχήματος χρησιμεύει ώστε να κοινοποιήσει στον χρήση τις πιθανές ενέργειες που μπορούν να γίνουν. Για παράδειγμα, σε μία οθόνη που μπορούν να σχηματίζονται κουμπιά με φυσικό σχήμα επιτρέπεται η δυναμική δυνατότητα χρήσης ανάλογα με το ψηφιακό περιεχόμενο. Άλλος λειτουργικός σκοπός της αλλαγής σχήματος είναι η χρήση του για απτική ανάδραση. Με την απτική ανάδραση παρέχεται απτικότητα στις οθόνες και άλλες συσκευές αφής. Για παράδειγμα απτικές πληροφορίες μπορούν να μεταδίδονται κάνοντας την επιφάνεια να διογκώνεται ή να δονείται ή αλλάζοντας την σφριγηλότητά του. Η απτική ανάδραση μπορεί να χρησιμοποιηθεί από διεπαφές και για πιο εξερευνητικούς σκοπούς, όπως για να καταγράφει τις αλληλεπιδράσεις ενός χρήστη αναμεταδίδοντας τες είτε τοπικά είτε σε μια απομακρυσμένη συσκευή. Η αλλαγή σχήματος μπορεί να χρησιμέψει και για πρακτικούς λόγους. Ένα αντικείμενο θα μπορούσε για παράδειγμα να «φουσκώνει» παίρνοντας την λειτουργική του μορφή και να «ξεφουσκώνει» για να μπορεί να αποθηκεύεται ή να μεταφέρεται εύκολα, δηλαδή για λόγους εργονομίας. Τέλος η αλλαγή σχήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για κατασκευές όπου ο χρήστης να μπορεί να συναρμολογήσει δυναμικές μορφές και να τις χειριστεί, όπου και αυτό αποτελεί έναν λειτουργικό σκοπό. 74

75 Ηδονικοί σκοποί (Hedonic Aims) Η αλλαγή σχήματος πέρα από λειτουργικούς σκοπούς μπορεί να έχει και ηδονικούς σκοπούς. Η χρήση της για ηδονικούς σκοπούς από διεπαφές σημαίνει ότι αυτές εστιάζουν σε λιγότερο σημαντικούς σκοπούς με την έννοια της μη καθοριστικής σημασίας, όπως για παράδειγμα την πρόκληση, την αισθητική, την αναγνώριση και την διασκέδαση. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν με σκοπό να προκαλέσουν συγκίνηση. Μια συνηθισμένη προσέγγιση έκφρασης συναισθημάτων είναι να χρησιμοποιούνται οργανικές κινήσεις και κινήσεις που μοιάζουν σα ζωντανές. Διεπαφές με αισθητικό σκοπό υπάρχουν περισσότερο τους τομείς της μόδας, τέχνης και της αρχιτεκτονικής. Ερευνητικοί Σκοποί Οι ερευνητικοί σκοποί χρήσης της αλλαγής σχήματος υλικού, αφορά πειραματικές διεπαφές. Ο σκοπός τους είναι περισσότερο τεχνικός. Προσπαθούν να αυξήσουν την κατανόηση για τα υλικά που παίρνουν μέρος στην διαδικασία αλλαγής σχήματος. Εργαλεία για το προγραμματισμό της αλλαγής σχήματος Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλεία που θα βοηθούν τους σχεδιαστές στον περεταίρω πειραματισμό με υλικά που αλλάζουν σχήμα και προγραμματιζόμενες κινητικές φόρμες [51] Χαρακτηριστικά Διεπαφών με Έξυπνα Υλικά Παρακάτω αναφέρονται μερικά χαρακτηριστικά όπως αυτά καταγράφηκαν από τον Vyas D. και τους συνεργάτες του [52] που ξεχωρίζουν τις διεπαφές έξυπνων υλικών από τις υπόλοιπες. Η φόρμα είναι η διεπαφή Οι ευέλικτες δυνατότητες και η ποικιλία των μορφών (υγρά ή στερεά) των έξυπνων υλικών επιτρέπουν την χρήση τους και ενσωμάτωσή τους σε οποιοδήποτε τύπο προϊόντος. Μπορούν ακόμα και να κατασκευαστούν ώστε να πάρουν την πραγματική μορφή κάποιου αντικειμένου. Με την χρήση τους, η μορφή μπορεί να ακολουθεί τις ενέργειες του χρήστη, και με αυτόν τον τρόπο η ίδια η μορφή γίνεται η διεπαφή 75

76 μέσα από την οποία οι πληροφορίες διαβιβάζονται στους χρήστες. Οι διεπαφές επομένως έχουν δυναμική φόρμα, με την δυνατότητα να αλλάζουν μορφή όπως χρώμα, σχήμα ή μέγεθος. Η στενή σύνδεση εισόδου/εξόδου Οι διεπαφές έξυπνων υλικών επιτρέπουν την στενή σύνδεση εισόδου και εξόδου αφού και οι δύο παρατηρούνται μέσα από τις αλλαγές στις υλικές και φυσικές ιδιότητες. Προσπαθούν να ξεπεράσουν τους περιορισμούς από την χρήση των απτικών διεπαφών, όπου οι κινήσεις μεταφράζονται από το σύστημα σε ψηφιακά δεδομένα, και αυτά παρουσιάζονται στον χρήστη με την μορφή γραφικής απεικόνισης. Αντίθετα προσπαθούν να αλλάξουν το φυσικό περιβάλλον του χρήστη, ως το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασής του με αυτό. Ο έλεγχος και απεικόνιση, δηλαδή η είσοδος και η έξοδος, χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα, με την ενσωμάτωση της επαυξημένης πληροφορίας κατευθείαν στο φυσικό αντικείμενο. Χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του υλικού, οι διεπαφές αυτές μπορούν να εγγυηθούν διαδραστικότητα με συνοχή, διατηρώντας και τα δύο κανάλια (εισόδου και εξόδου) σε ένα κοινό αντικείμενο αλληλεπίδρασης. Αυτού του είδους η αλληλεπίδραση παρέχει στο χρήστη μία διαρκή αίσθηση του αντικειμένου και προσδίδει στην έξοδο του συστήματος μία φυσικότητα που είναι συνεπής με τον χώρο. Η φυσική αλληλεπίδραση και επικοινωνία Είναι φυσικό να παρατηρούμε τα αποτελέσματα μιας φυσικής ενέργειας στην φυσική και υλική μορφή και όχι στην ψηφιακή. Ενώ οι απτικές διεπαφές χρηστών επικεντρώνονται στις μεθόδους εισόδου για να προσδώσουν φυσικότητα στην αλληλεπίδραση του χρήστη με την πληροφορία, οι διεπαφές έξυπνων υλικών αποπειρώνται να υποστηρίξουν την φυσικότητα αλληλεπίδρασης τόσο στους μηχανισμούς εισόδου όσο και εξόδου. Επιπλέον ξεφεύγουν από την επικρατούσα γραφική απεικόνιση στην οθόνη, και επικοινωνούν την πληροφορία μέσα από την ίδια τους την φόρμα, χρησιμοποιώντας το χρώμα, το σχήμα, το μέγεθος και την ανταλλαγή ενέργειας. Αυτό αλλάζει ριζικά το πρότυπο επικοινωνίας του WIMP σε οποιοδήποτε είδος φυσικής συμπεριφοράς που θα μπορούσε να έχει ο χρήστης. Άλλα χαρακτηριστικά που διέπουν τις διεπαφές έξυπνων υλικών είναι [52]: 76

77 Η αμεσότητα Ανταποκρίνονται σε πραγματικό χρόνο. Η παροδικότητα Ανταποκρίνονται σε περισσότερες από μία περιβαλλοντικές καταστάσεις. Η «αυτο-ενεργοποίηση» Η νοημοσύνη προκύπτει εσωτερικά από το υλικό και δεν εφαρμόζεται εξωτερικά σε αυτό. H εξειδίκευση Η απόκρισή τους είναι διακριτή και προβλέψιμη. Η ευθύτητα Η απόκριση είναι τοπική στο συμβάν ενεργοποίησης. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ τις απτικής διεπαφής και της διεπαφής έξυπνων υλικών. Στην διεπαφή με έξυπνα υλικά (δεξιά) φαίνεται η στενή σύνδεση της πληροφορίας με τα απτικά στοιχεία ιδιαίτερα στην έξοδο (output) του συστήματος. Το μαύρο βέλος δείχνει την έμφαση που δίνει η διεπαφή, με την απτική να προσανατολίζεται στην είσοδο ενώ αυτή των έξυπνων υλικών στην έξοδο του συστήματος [53]. Εικόνα 42. Σύγκριση TUI με SMI. Δεξιά η απτική διεπαφή, αριστερά η διεπαφή έξυπνων υλικών [53]. 77

78 3.2.4 Αλλαγή σχήματος επιφάνειας Σε βασικό επίπεδο οι επιφάνειες είναι πολύ απλές και μπορούν να μετασχηματιστούν σε τέσσερα διακριτά σχήματα, το επίπεδο, το κυρτό, το κοίλο και το σαγματοειδές [42]. Εικόνα 43. Σχήματα που μπορεί να πάρει η επιφάνεια. Από αριστερά προς δεξιά: επίπεδο, κυρτό, κοίλο, σαγματοειδές [42] Στο κυρτό σχήμα, η επιφάνεια καμπυλώνει σαν αυγό, ενώ στο κοίλο σχήμα, καμπυλώνει όπως το εσωτερικό ενός αυγού. Τέλος στο σαγματοειδές σχήμα η επιφάνεια παίρνει το σχήμα σέλας, παρέχοντας μία ομαλή μετάβαση μεταξύ του κυρτού και του κοίλου Χρήση της αλλαγής σχήματος για αλληλεπίδραση Είδη αλληλεπίδρασης με τον χρήστη Σύμφωνα με τον Coelho και τους συνεργάτες του [42] τα μεταμορφώσιμα σχήματα μπορούν να αναπτύξουν τα ακόλουθα είδη αλληλεπίδρασης με τον χρήστη ως αντίδραση στην παραμόρφωση που τους ασκείται από αυτόν. Τα αντικείμενα μπορούν να αποκτήσουν μια νέα φυσική κατάσταση και η αντιστοίχιση της μετατροπής μεταξύ εισόδου και εξόδου μπορεί να ενισχυθεί, να μετριαστεί, να διαμορφωθεί ή να μείνει η ίδια. Τα αντικείμενα μπορούν να ανταποκριθούν με δυναμική ανάδραση και να εξουδετερώσουν την παραμόρφωση που προκάλεσε ο χρήστης. Τα αντικείμενα δεν ανταποκρίνονται καθόλου, απλά καταγράφουν την ενέργεια του χρήστη και την εφαρμόζουν σε κάποιο άλλο πλαίσιο. Τα αντικείμενα μπορούν να περιορίσουν την παραμόρφωση που δημιουργήθηκε από τον χρήστη. Χρήση αλλαγής σχήματος για την αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή Η αλλαγή σχήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αλληλεπίδραση ανθρώπουυπολογιστή με τους παρακάτω τρόπους [42]. 78

79 Οι δυναμικές μορφές αποκαλύπτουν δυναμικές λειτουργίες Τόσο οι επιφάνειες όσο και οι διάφορες μορφές παίζουν σημαντικό ρόλο στον τρόπο που ο χρήστης θα χειριστεί ένα αντικείμενο, δείχνοντάς του πως μπορεί να το κρατήσει, να το αγγίξει και να το χρησιμοποιήσει. Αν τώρα οι μορφές γίνουν δυναμικές, αντανακλούν και δυναμικές λειτουργίες. Ένα παράδειγμα είναι το «Haptic Chameleon», που είναι ένα χειριστήριο βίντεο με την δυνατότητα να αλλάζει την μορφή του. Όταν πάρει στρογγυλό σχήμα παίζει το βίντεο σε κανονική ροή, ενώ όταν πάρει τετράγωνο σχήμα το βίντεο προχωράει ανά σκηνή. Οι δυναμικές μορφές ως φυσική αναπαράσταση δυναμικών δεδομένων Μέσω της αλλαγής σχήματος μπορούν να αναπαρασταθούν δυναμικά δεδομένα. Η πληροφορία μπορεί να μεταδοθεί με τον σχηματισμό μορφών όπου το ίδιο το σχήμα εμπεριέχει κάποιο νόημα. Η κίνηση μπορεί επίσης να μεταδώσει πληροφορίες, σημαίνοντας την αλλαγή. Τέλος μπορεί να δοθεί δυναμική ανάδραση στον χρήστη παρέχοντας του πληροφορίες. Με αυτές τις μεθόδους ο χρήστης μπορεί να πληροφορηθεί την τρέχουσα κατάσταση ενός αντικειμένου ή οποιαδήποτε άλλη εξωτερική πληροφορία που μπορεί να μην σχετίζεται με την μορφή ή ο περιεχόμενο του αντικειμένου. Οι δυναμικές μορφές καθοδηγούν και περιορίζουν τις δυναμικές φυσικές αλληλεπιδράσεις. Οι φυσικοί περιορισμοί των απτικών διεπαφών θεωρούνται ως μειονέκτημα συγκριτικά με τις πιο ευέλικτες διεπαφές γραφικού περιβάλλοντος. Παρ όλα αυτά οι φυσικοί περιορισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν προς όφελος του χρήστη βοηθώντας τον να κατανοήσει καλύτερα το σύστημα. Οι περιορισμοί στο σχήμα ή την κίνηση μπορούν να αντικατοπτρίζουν περιορισμούς που υπάρχουν στα ψηφιακά δεδομένα, κατευθύνοντας τον χρήστη στις δυνατές ενέργειες που μπορούν να γίνουν. Κατηγοριοποίηση διεπαφών με βάση τον ρόλο της αλλαγής σχήματος στην αλληλεπίδραση Ο Rasmussen και οι συνεργάτες του [48], κατηγοριοποίησαν τις διεπαφές που χρησιμοποιούν αλλαγή μορφής με βάση αν αυτές χρησιμοποιούν τους φυσικούς μετασχηματισμούς ως μέθοδο εισόδου ή εξόδου. Οι κατηγορίες συνοψίζονται στις εξής: 79

80 Αλλαγή σχήματος ως έξοδος του συστήματος Σε αυτήν την κατηγορία δεν υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ του χρήστη και του συστήματος. Η αλλαγή μορφής χρησιμοποιείται σαν μέθοδος εξόδου της διεπαφής, αλλά αγνοεί την είσοδο του χρήστη. Η αλλαγή σχήματος χρησιμοποιείται εδώ για να απεικονίσει ψηφιακή πληροφορία είτε οπτικά είτε απτικά. Υπάρχουν και διεπαφές που χρησιμοποιούν την αλλαγή σχήματος με τυχαίο τρόπο χωρίς να θέλουν να απεικονίσουν κάποια συγκεκριμένη πληροφορία. Έμμεση Αλληλεπίδραση Οι διεπαφές που χρησιμοποιούν έμμεση αλληλεπίδραση χρησιμοποιούν την αλλαγή μορφής ως μέθοδο εξόδου, αλλά βασίζουν την αλλαγή σχήματος σε μία έμμεση είσοδο από τον χρήστη. Έμμεση είσοδος, είναι η διαδικασία εισόδου κατά την οποία οι χρήστες δεν συνειδητοποιούν ότι οι ενέργειές τους χρησιμοποιούνται ως είσοδος. Η διεπαφή μπορεί να συλλέγει τα δεδομένα εισόδου από ενέργειες που κάνει ο χρήστης στον χώρο και φαινομενικά είναι ασύνδετες με την διεπαφή. Άμεση αλληλεπίδραση: Συγχώνευση εισόδου/εξόδου Η κατηγορία αυτή καθορίζεται από διεπαφές που χρησιμοποιούν την αλλαγή του σχήματος τόσο ως είσοδο όσο και ως έξοδο. Ο χρήστης αλληλεπιδρά σκόπιμα με το σύστημα μέσω παραμόρφωσης του σχήματος, ενώ οι αλλαγές που προκύπτουν στο σχήμα χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα και ως έξοδος. Η σχέση μεταξύ εισόδου και εξόδου μπορεί να είναι της μορφής δράσης-ανάδρασης, όπου καθώς ο χρήστης αλλάζει ένα σχήμα, αυτό ενεργοποιεί μια σχηματική μεταμόρφωση η οποία αντιστοιχεί σε εκείνη που εισήγαγε ο χρήστης, αρχικά. Μπορεί όμως η σχέση εισόδου εξόδου να μην σχετίζονται άμεσα. Δηλαδή η αλλαγή που επιφέρει ο χρήστης να μην είναι ίδια με την αλλαγή που επιφέρει το σύστημα ως ανάδραση. Άμεση αλληλεπίδραση: Απομακρυσμένη Συγχώνευση εισόδου/ εξόδου Οι άμεσες αλληλεπιδράσεις που περιγράφονται στην προηγούμενη κατηγορία μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν και για τη σύνδεση απομακρυσμένων διεπαφών. Με τον τρόπο αυτό, οι αλλαγές που συμβαίνουν στη μία διεπαφή μεταφέρονται σε μια πανομοιότυπη διεπαφή, στην οποία και αναπαράγονται. 80

81 3.3 Εφαρμογές Παρακάτω παρατίθενται κάποιες εφαρμογές των έξυπνων υλικών σε διεπαφές, που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Surflex Το Surflex είναι μία επιφάνεια που μπορεί να προγραμματιστεί για τον σχεδιασμό και την απεικόνιση φυσικών μορφών. Πρόκειται για ένα εργαλείο που βοηθάει την ανάπτυξη διεπαφών που μπορούν να αλλάζουν μορφή. Το Surflex είναι φτιαγμένο από μορφομνήμονα κράματα και αφρό και δημιουργεί μία επιφάνεια η οποία μπορεί να ελέγχεται ηλεκτρονικά ώστε να παραμορφώνεται και να δημιουργεί καινούρια σχήματα [50]. Αυτό που κάνει το Surflex μοναδικό είναι ότι το απαραίτητο hardware για να αλλάζει η επιφάνεια σχήμα είναι ενσωματωμένο μέσα στο υλικό και όχι μία ξεχωριστή δομή που συνδέεται μαζί του. Επιπλέον χρησιμοποιεί τις μεταβολές στις φυσικές του ιδιότητες για να παράγει κίνηση και παραμορφώσεις και στις τρείς διαστάσεις [42]. Εικόνα 44. Η παραμόρφωση στην επιφάνεια του Surflex [50] Είναι φτιαγμένο από αφρό, που διαπερνιέται από πλακέτες ηλεκτρονικού κυκλώματος (PCB), που συνδέονται μεταξύ τους με 8 σπείρες από μορφομνήμονα κράματα (SMA) που είναι τοποθετημένες σε ένα x, y πλέγμα. Η λειτουργία του βασίζεται στην εξουδετέρωση της δύναμης συστολής που ασκούν οι SMA σπείρες και την ικανότητα του αφρού να επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Μέσω της θερμότητας που παράγεται από την αντίσταση (resistive heating) είναι δυνατόν να ελεγχθεί ηλεκτρονικά η θερμοκρασία των SMA σπειρών και να τις κάνει να συσταλούν. Οι (PCB) πλακέτες είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ώστε να μην μπορούν να 81

82 μετακινηθούν σε σχέση με τον αφρό. Αυτό προκαλεί την συστολή των SMA σπειρωμάτων με αποτέλεσμα την παραμόρφωση της επιφάνειας. Εικόνα 45. Το κύκλωμα και οι σπείρες του Surflex [50] Με τον συνδυασμό παραμορφώσεων κάθετα και οριζόντια το Surflex μπορεί να πάρει κάθε σχήμα στο z-επίπεδο. Όταν το SMA επανέλθει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος τότε ο αφρός γίνεται ισχυρότερος από το SMA με αποτέλεσμα να ξαναγυρίσει στην κατάσταση που «θυμάται». Μία πιθανή εφαρμογή του Surflex θα ήταν η απεικόνιση υπολογιστικών μοντέλων σε πραγματικό χρόνο. Οι σχεδιαστές αφού τελειώσουν με την μοντελοποίηση στον υπολογιστή, θα μπορούσαν να δουν τα αποτελέσματα στο επιτραπέζιο Surflex που μπορεί να πάρει διαφορετικές μορφές και καμπύλες σε διαφορετικές κλίμακες και αναλύσεις. Θα μπορούσε ακόμα να τοποθετηθεί στους τοίχους ενός δωματίου όπου θα αλλάζει σχήμα απεικονίζοντας διατάξεις στον χώρο και ακουστικά προφίλ. Sprout I/O Το Sprout I/O αποτελείται από έναν πίνακα από υφασμάτινες κλωστές που μπορούν να αντιληφθούν το άγγιγμα και να μετακινηθούν ανάλογα ώστε να απεικονίσουν εικόνες και animations. Εμπνεύστηκε και προσομοιώνει το αποτύπωμα που αφήνει το περπάτημα πάνω σε ένα χαλί ή σε ένα λιβάδι από χορτάρι, όπου οι ίνες επαναπροσανατολίζονται και το φως ανακλάται διαφορετικά δημιουργώντας εικόνες οπτικές αλλά και ταυτόχρονα κινητικές. Αποτελείται από ένα πλέγμα από 36 λωρίδες υφάσματος (6x6) που μοιάζουν με χορτάρι. Κάθε μονάδα υφάσματος είναι κατασκευασμένη από συνθετικό ύφασμα και SMA και μπορεί 82

83 λυγίσει σε δύο κατευθύνσεις (εμπρός και πίσω) [42]. Αυτά μαζί είναι υπεύθυνα για την κίνηση του υφάσματος και την αντίληψη της αφής. Όταν οι λωρίδες είναι σε κάθετη θέση ή αίσθηση είναι σκληρή στο άγγιγμα ενώ όταν έχουν κλίση είναι ομαλότερη. Επίσης η διαφορά στα χρώματα σε κάθε πλευρά τους, με την κίνησή τους η επιφάνεια αλλάζει χρώμα από σκουροπράσινο σε ανοιχτό. Δημιουργείται έτσι ένα υπόστρωμα που μπορεί να ενσωματώσει υπολογισμούς και διαδραστικότητα στο περιβάλλον για να υποστηρίξει πιο εκφραστικές και ουσιώδεις διαδραστικές εμπειρίες [54]. Εικόνα 46. Animation με το Sprout I/O [42] Με τον έλεγχο του ρεύματος που περνάει μέσα από τα SMA, και την θερμότητα, αποκτάται έλεγχος πάνω στην ταχύτητα, την κατεύθυνση και την γωνία που γυρίζουν οι λωρίδες υφάσματος. Πιθανές εφαρμογές του θα μπορούσαν να είναι επιφάνειες όπου άτομα με προβλήματα όρασης θα επωφελούνται από τις ιδιότητες υφής των διάφορων υλικών, χαλιά ή χορταρένια λιβάδια που θα τοποθετούνται σε δημόσιους χώρους για να δείχνουν την κατεύθυνση στο κοινό ή την έξοδο κινδύνου, ρομπότ που θα αισθάνονται το άγγιγμα και θα ανατριχιάζουν δημιουργώντας συναισθηματικό δέσιμο με τους ιδιοκτήτες τους [42]. Smart Vacuum Cleaner (SVC) Prototype Ο Vyas D. και οι συνεργάτες του [52], προσπάθησαν να ενσωματώσουν τα έξυπνα υλικά σε καταναλωτικά προιόντα, δημιουργώντας την πρότυπη έξυπνη ηλεκτρική σκούπα «Smart Vacuum Cleaner». Στην επιφάνεια του ακροφύσιου της σκούπας αυτής, εφάρμοσαν ένα έξυπνο υλικό, έτσι ώστε να μπορεί να ενημερώνει τον χρήστη σχετικά με το επίπεδο της σκόνης που υπάρχει στο πάτωμα με την εναλλαγή χρώματος του. Η έξυπνη σκούπα χρησιμοποιεί σχηματικό ηλεκτροχρωμικό πολυμερές(schematic electrochromic polymer) που βρίσκεται στην κορυφή του ακροφύσιου αναρρόφησης το οποίο μπορεί αυτόματα να αλλάζει το χρώμα του από διαφανές σε μπλε όταν ανιχνεύει σκόνη στο πάτωμα. Η βασική ιδέα είναι να μπορεί να καθοδηγεί τους χρήστες που να καθαρίσουν μέσω 83

84 της αλλαγής χρώματος στην περιοχή του ακροφύσιου, το οποίο είναι ορατό στους χρήστες, όταν χρησιμοποιούν την ηλεκτρική σκούπα. Η σκούπα χρησιμοποιεί έναν οπτικό αισθητήρα σκόνης, ένα Arduino μικροελεγκτή, ένα ηλεκτροχρωμικό πολυμερές και ένα ακροφύσιο ηλεκτρικής σκούπας. Ο αισθητήρας σκόνης συνδέεται με το Arduino και είναι προγραμματισμένος να παράγει τάση όταν εντοπιστεί σκόνη. Το Arduino είναι επίσης συνδεδεμένο με το ηλεκτροχρωμικό πολυμερές το οποίο αλλάζει χρώμα, όταν δέχεται τάση. Οι αισθητήρες σκόνης βρίσκονται και αυτοί στο εσωτερικό του ακροφύσιου, ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει την σκόνη. Εικόνα 47.Η Smart Vacuum Cleaner και τα μέρη που την αποτελούν [52]. Shutters Το Shutters είναι μία κουρτίνα από SMA αποτελούμενη από περσίδες που μπορούν να διαχειριστούν ξεχωριστά, έτσι ώστε να υπάρχει ακριβής έλεγχος του αερισμού, της συχνότητας του φωτός, αλλά και της απεικόνισης πληροφορίας. Με το Shutters οι περιβάλλοντες χώροι μπορούν να γίνουν πιο ελέγξιμοι και προσαρμόσιμοι ενώ ταυτόχρονα να παρέχει πληροφορίες στους χρήστες του με έναν πιο διακριτικό και μη παρεμβατικό τρόπο. 84

85 Εικόνα 48. Shutters [55] Το Shutters είναι φτιαγμένο από ύφασμα ώστε να είναι ευέλικτο και εύκολο να χειριστεί και αποτελείται από ένα πλέγμα περσίδων που μπορούν να κινούνται ελεγχόμενα μέσα και έξω. Ο μηχανισμός του βασίζεται στην ηλεκτρονική ελεγχόμενη ενεργοποίηση δύο νημάτων SMA ανά περσίδα, που τις κινούν μέσα και έξω σε μία γωνία 180 μοιρών [42]. Μέσω της θερμότητας, είναι δυνατόν να ελεγχθεί ηλεκτρονικά η θερμοκρασία ενός νήματος SMA που θα ενεργοποιήσει την γωνία ανοίγματος κάθε περσίδας. Αυτό που κάνει μοναδική την χρήση του SMA στο Shutters, είναι ότι το σχήμα του έχει βελτιστοποιηθεί για ενεργοποίηση διπλής κατεύθυνσης και ότι μπορεί να μείνει επίπεδο πάνω στο ύφασμα χωρίς να χρειάζεται επιπλέον χώρο για να κινηθεί όπως ένας ελικοειδής ενεργοποιητής SMA. Άλλη μία καινοτομία είναι, ότι ενώ άλλα SMA και συνθετικά υφάσματα απαιτούν έναν εξωτερικό ενεργοποιητή όπως την βαρύτητα, την αλληλεπίδραση του χρήστη ή βασίζονται στην ακαμψία του υλικού ώστε να παράγει μία αντίθετη κίνηση προς την ενεργοποίηση, στο Shutters συνδυάζονται οι καταστάσεις δύο SMA νημάτων ώστε να δημιουργείται σταδιακή αλλαγή σχήματος. Αυξάνεται έτσι η πιθανότητα ηλεκτρονικού ελέγχου καθώς και το εύρος πιθανών εφαρμογών για αυτό το είδος κράματος σε διαδραστικά συστήματα [55]. 85

86 Εικόνα 49. Λεπτομέρεια της χρήσης του SMA στο Shutters [55] Το Shutters μπορεί να πάρει τρεις καταστάσεις. Όταν οι περσίδες κινούνται προς τα έξω, επιτρέπει στον αέρα να περάσει αλλά λόγω της γωνίας του εμποδίζει το φως. Όταν κλίνουν προς τα μέσα επιτρέπουν και στον αέρα και στο φως να περάσουν, ενώ όταν βρίσκονται σε ένα κεντρικό ενδιάμεσο σημείο μπλοκάρουν κάθε ανταλλαγή με το περιβάλλον [42]. WeMe Το WeMe είναι μία διεπαφή που βοηθάει στην επαφή μίας απομακρυσμένης οικογένειας, παρέχοντας συναίσθηση των απομακρυσμένων ατόμων ενώ μπορεί να παρέχει και πιο άμεση αλληλεπίδραση. Αποτελείται από υγρό Ferrofluid που δημιουργεί φυσαλίδες σε απόκριση ήχων είτε κοντινών είτε απομακρυσμένων. Η ένταση του ήχου αυτές επηρεάζει την ταχύτητα που αυτές κινούνται πάνω κάτω. Ακόμα και 3 χρήστες μπορούν να δημιουργούν φυσαλίδες κουνώντας τα χέρια τους στην εξωτερική του επιφάνεια. Το WeMe μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αυτόνομο γλυπτό, σαν παθητικός δέκτης απομακρυσμένης δραστηριότητας, ή σαν μέσο κοινόχρηστης αλληλεπίδρασης. 86

87 Εικόνα 50. To WeMe [56] Το WeMe είναι ένα τρισδιάστατο αντικείμενο που περιέχει υγρό ώστε να είναι αθόρυβο και απαλλαγμένο από μηχανικά στοιχεία, και να μπορεί να παράγει οπτικά μοτίβα. Το υγρό είναι ferrofluid που αποτελείται από μίξη λαδιού και νανοσωματιδίων σιδήρου με μαγνητικές ιδιότητες. Το ferrofluid έχει την ικανότητα να κινείται σε αντίδραση των αλλαγών που συμβαίνουν στο μαγνητικό πεδίο. Κάτω από την επιφάνεια του υγρού είναι τοποθετημένοι Το WeMe περιλαμβάνει αισθητήρες απόστασης ώστε να είναι δυνατή ή ανίχνευση της θέσης των χεριών των χρηστών και να αλληλεπιδρούν με το ferrofluid. Όσο πιο κοντά είναι τα χέρια τόσο μεγαλύτερες φυσαλίδες δημιουργούνται. Τέλος για την απομακρυσμένη επικοινωνία το WeMe συνδέεται μέσω σύνδεσης USB σε υπολογιστή για την διαδικτυακή επικοινωνία με άλλες συσκευές WeMe [56]. 87

88 4. Απτικές διεπαφές με ενεργοποιητές έξυπνων υλικών Οι διεπαφές έχουν πλέον εξελιχθεί από το επικρατέστερο μοντέλο του περιορισμένου σταθμού εργασίας και έχουν επεκταθεί στον περιβάλλοντα χώρο των χρηστών προσφέροντας δυνατότητες για την πλήρη και διακριτική ενσωμάτωσή τους σε αυτό, ενώ ταυτόχρονα παρέχουν φυσικότητα στην αλληλεπίδρασή των χρηστών με το σύστημα. Πρόσφατα με την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών ενεργοποιητών, των μικροεπεξεργαστών και των έξυπνων υλικών έχει καταστεί πολύ εύκολο να δοθεί κίνηση σε απτικές διεπαφές. Υπάρχει επίσης ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον στην δημιουργική έρευνα πάνω στην αυτοενεργοποίηση στην τέχνη, την σχεδίαση, και τις διεπαφές ανθρώπου-υπολογιστή [57]. Στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε μία ανασκόπηση των διεπαφών χρηστών και της εξέλιξής τους μέσα στα χρόνια, των απτικών διεπαφών, και των κυριότερων κατηγοριών εφαρμογών τους με βάση την λειτουργία τους. Αναφέρθηκαν επίσης τα τεχνολογικά νέα έξυπνα υλικά, οι ιδιότητές τους, καθώς και τα χαρακτηριστικά εκείνα που τα καθιστούν χρήσιμα στις διεπαφές. Παρουσιάστηκαν επίσης εφαρμογές που εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες των έξυπνων υλικών. Στόχος ήταν η καταγραφή των καινούριων τεχνολογιών που εφαρμόζονται στις διεπαφές καθώς και των μεθόδων αλληλεπίδρασης που προκύπτουν από αυτές, δίνοντας μία συνολική εικόνα για τις δυνατότητες ανάπτυξής μελλοντικών διεπαφών και βελτίωσης των ήδη υπαρχόντων. Σε αυτό το κεφάλαιο προτείνεται η χρήση των έξυπνων υλικών όχι για να μεταδώσει πληροφορία ως έξοδος του συστήματος από την αλληλεπίδραση με τον χρήστη, αλλά για να αποτελέσει μέρος του μηχανισμού ενεργοποίησης του συστήματος. Μελετώνται διεπαφές τύπου Relief, που χρησιμοποιούν ως έξοδο την αλλαγή σχήματος, με την κίνηση ράβδων τοποθετημένων σε πλέγμα, δημιουργώντας έτσι μία απεικόνιση του αντικειμένου σε μορφή 2.5D. Παρατίθενται αναλυτικά οι εκάστοτε μηχανισμοί ενεργοποίησης της κάθε διεπαφής, καθώς και αντίστοιχες εφαρμογές έξυπνων υλικών σε αυτούς τους μηχανισμούς. Τέλος παρουσιάζεται μοντελοποίηση της λειτουργίας του έξυπνου υλικού για την κίνηση των ράβδων. 88

89 4.1 Οι διεπαφές τύπου Relief Μέσα από την έρευνα στην βιβλιογραφία για διεπαφές που χρησιμοποιούν σχηματικές απεικονίσεις για να μεταδώσουν πληροφορία, εμφανίστηκαν πολλές εφαρμογές που χρησιμοποιούν ένα δισδιάστατο πίνακα με γραμμικούς ενεργοποιητές. Η διάταξη αυτή δημιουργεί μία προσέγγιση 2.5D του σχήματος ενός αντικειμένου, δηλαδή μία μορφή που μοιάζει ανάγλυφη, σαν να προβάλει από την επίπεδη επιφάνεια. Εξαιτίας της ομοιότητας που φέρουν με τα ανάγλυφα γλυπτά έχει επικρατήσει ο όρος Relief Interfaces από την αγγλική ονομασία του ανάγλυφου [58]. Ενώ οι διεπαφές ποικίλουν στο μέγεθος στον τύπο του ενεργοποιητή που χρησιμοποιούν και στον τρόπο αλληλεπίδρασης, έχουν ένα κοινό στοιχείο, αποτελούνται από έναν πίνακα με ράβδους ικανές να κινηθούν γραμμικά, οι οποίες σχηματίζουν την επιφάνεια της διεπαφής. Αυτή η διάταξη των ενεργοποιητών επιτρέπει την πιο απλή μηχανική σχεδίαση αφού βρίσκονται κρυμμένοι κάτω από την διεπαφή και όχι ενσωματωμένοι στην επιφάνειά της [58]. Παρακάτω παρουσιάζονται οι κυριότερες τέτοιες εφαρμογές η λειτουργία τους και τα μέρη που αποτελούν το σύστημά τους Εφαρμογές FEELEX Το 1995 δημιουργήθηκε από τον Iwata και τους συνεργάτες του [59] το FEELEX, ένα σύστημα, που αποτελείται από μία εύκαμπτη οθόνη, έναν πίνακα από ενεργοποιητές και ένα προτζέκτορα (προβολέα). 89

90 Εικόνα 51. Τα μέρη που αποτελούν το σύστημα FEELEX Εικόνες προβάλλονται πάνω στην οθόνη, την οποία παραμορφώνουν οι ενεργοποιητές με τρόπο που προσομοιώνει το σχήμα του εικονικού αντικειμένου. Η διεπαφή αυτή δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να βλέπει την ψηφιακή εικόνα, ενώ ταυτόχρονα μπορεί να την αγγίξει και να αισθανθεί το σχήμα και την ακαμψία του αντικειμένου που απεικονίζει. Επιπλέον ο χρήστης νιώθει και δύναμη αντίδρασης (reaction force) αγγίζοντας την επιφάνεια [59]. Το 1997 δημιουργήθηκε το FEELEX 1, που επέτρεπε την αλληλεπίδραση και με τα δύο χέρια και στο σύνολο της παλάμης του χεριού. Το βέλτιστο μέγεθος της οθόνης ορίστηκε στα 24x24 cm, ενώ οι γραμμικοί ενεργοποιητές σε αυτό το σύστημα αποτελούνται από έναν μηχανισμό κοχλία που κινείται με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος (DC motor). Το 2001 η ομάδα του Iwata εξέλιξε το FEELEX, μειώνοντας την απόσταση των γραμμικών ενεργοποιητών ώστε να είναι μικρότερη από το πλάτος του ενός δαχτύλου, δηλαδή την μείωσε σε 8 χιλιοστά. Αυτό σήμαινε ότι ο χρήστης θα χτύπαγε τουλάχιστον ένα ενεργοποιητή αγγίζοντας οποιοδήποτε σημείο της οθόνης. Η οθόνη πλέον γίνεται 50x50 χιλιοστά που επιτρέπει στον χρήστη να την ακουμπήσει με 3 δάχτυλα. Ως ενεργοποιητής για το πλέον FEELEX 2 χρησιμοποιείται ένας σερβοκινητήρας και ένας μηχανισμός στροφαλοφόρου άξονα. 90

91 Εικόνα 52. Το σύστημα FEELEX 2 Οι πιθανές χρήσεις του FEELEX θα ήταν για τρισδιάστατη μοντελοποίηση όπου το σύστημα θα μπορούσε να παρουσιάσει μία απεικόνιση ενός μοντέλου και ο χρήστης θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει μαζί του παραμορφώνοντάς το. Άλλη πιθανή χρήση θα ήταν ως οθόνη επαφής. Ψηφιακά κουμπιά μπορούν να προβάλλονται πάνω στην οθόνη που θα παραμορφώνεται ανάλογα προσδίδοντας και μία απτική απεικόνιση που θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε άτομα με προβλήματα όρασης. Τέλος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και σαν εργαλείο για διαδραστική γλυπτική, όπου ο χρήστης μπορεί και αισθάνεται ένα γλυπτό άλλα συμμετέχει και ο ίδιος στην μορφή του, παραμορφώνοντάς το. Glowbits Το σύστημα Glowbits είναι μία διεπαφή απτικής απεικόνισης με δυνατότητα κίνησης, που επαυξάνει την εμπειρία χρήστη προσφέροντάς του αλληλεπίδραση. Η δημιουργία του βασίστηκε στην ιδέα ότι αν τα pixels στις οθόνες μπορούσαν να κινηθούν μπροστά και πίσω ταυτόχρονα με την αλλαγή στο χρώμα τους, τότε θα προσέφεραν μία νέα εμπειρία στους χρήστες αφού θα συνδύαζαν μαζί με το οπτικό αποτέλεσμα και το απτικό. Το Glowbits αποτελείται από ένα πλέγμα με μεγάλης κλίμακας pixel, με την μορφή ράβδων που φέρουν στις άκρες τους LEDs. Κάθε ράβδος είναι συνδεδεμένη με μηχανοκίνητο 91

92 ποτενσιόμετρο που μπορεί να την μετακινεί μπροστά και πίσω [60]. Οι ράβδοι μπορούν να κινούνται με βάση ένα υπολογιστικό πρόγραμμα είτε ακολουθώντας τις φυσικές αλληλεπιδράσεις του χρήστη, επομένως το Glowbits μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σαν είσοδος όσο και σαν έξοδος [61]. Εικόνα 53. Glowbits ( Οι προτεινόμενες εφαρμογές του είναι τέσσερις. Ως απτικό εργαλείο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για επικοινωνία από απόσταση, όπου οι ενέργειες που γίνονται στην μία συσκευή να μπορούν να μεταφερθούν σχεδόν ταυτόχρονα σε μία αντίστοιχη που βρίσκεται μακριά μέσω διαδικτύου. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως τρισδιάστατη απεικόνιση, δημιουργώντας μορφές γραμμάτων που επεκτείνονται στον χώρο. Ακόμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο όπου ο χρήστης θα δίνει μορφή, σαν να δημιουργεί ένα γλυπτό, ενώ τέλος μία χρήση του θα μπορούσε να είναι ως εργαλείο για ηλεκτρονικές μουσικές παραστάσεις, αφού ή σύνδεσή του με υπολογιστική εφαρμογή θα μπορούσε να προσδώσει οπτικά εφέ για το κοινό [61]. 92

93 Relief Το Relief είναι μία επιτραπέζια διεπαφή, που δίνει την δυνατότητα στους χρήστες να δημιουργήσουν και να αλληλεπιδράσουν με τρισδιάστατα μοντέλα τα οποία σχηματίζονται πάνω στην εύπλαστη επιφάνειά του και μπορούν να κινηθούν. Η επιφάνεια της διεπαφής αποτελείται από μία διάταξη από εκατόν είκοσι μηχανοκίνητες ράβδους από αλουμίνιο οι οποίες ελέγχονται από χαμηλού κόστους υλικά και λογισμικό ανοιχτού κώδικα. Κάθε μία από τις ράβδους μπορεί να χειριστεί μεμονωμένα, και μπορεί να ανιχνεύει την είσοδο του χρήστη [62]. Αυτές είναι τοποθετημένες σε ένα περιστρεφόμενο κυκλικό τραπέζι. Οι ράβδοι έχουν 1,5 ίντσες μεταξύ τους απόσταση και μπορούν να προεξέχουν έως 5 ίντσες από την επιφάνεια του τραπεζιού. Κάθε ράβδος ενεργοποιείται από ένα ηλεκτρικό ποτενσιόμεντρο ολίσθησης σαν και αυτά που χρησιμοποιούνται στις κονσόλες μίξης ήχου, που παρέχουν στην διεπαφή ταχεία ενεργοποίηση και ακρίβεια στην ανίχνευση. Κάθε ποτενσιόμετρο είναι εξοπλισμένο με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, το οποίο ελέγχεται από ένα Arduino (υπολογιστική πλατφόρμα βασισμένη σε μια απλή μητρική πλακέτα με ενσωματωμένο μικροελεγκτή και εισόδους/εξόδους). Συνολικά χρησιμοποιούνται 32 πλακέτες Arduino που είναι τοποθετημένοι σε ένα ξύλινο κουτί, και αποτελούν ξεχωριστό τμήμα της διεπαφής. Κάθε πλακέτα είναι υπεύθυνη για 4 ράβδους. Όλες οι μονάδες συνδέονται σε μία σειριακή αλυσίδα ώστε να διαβιβάζουν τα μηνύματα από και προς τον υπολογιστή. Κάθε πλακέτα Arduino τρέχει ένα πρόγραμμα για να εντοπίζει τη θέση των συνδεδεμένων σε αυτή ράβδων και για τον χειρισμό του κινητήρα για την επίτευξη της επιθυμητής θέσης των ράβδων. Η θέση των ράβδων αποστέλλεται σε μια εφαρμογή που εκτελείται σε ένα συνδεδεμένο υπολογιστή, το οποίο παρακολουθεί την συσχέτιση μεταξύ όλων των θέσεων των ράβδων και του 3D μοντέλου. Το ίδιο πρόγραμμα εξάγει επίσης και τα γραφικά, τα οποία προβάλλονται πάνω στο τραπέζι για να επαυξήσουν την σχηματική απεικόνιση. 93

94 Εικόνα 54. Η διάταξη του συστήματος Relief. Αποτελείται από την συσκευή ανίχνευσης και ενεργοποίησης (a), την επιφάνεια με το ύφασμα και τις ράβδους (b), την περιστρεφόμενη κυκλική επιφάνεια (c), τον υπολογιστή (d) και τον προτζέκτορα (e) [60]. Η πρώτη εφαρμογή του συστήματος Relief ήταν για γεωχωρική εξερεύνηση. Οι ράβδοι με την θέση τους αποδίδουν ένα τρισδιάστατο μοντέλο ενός τοπίου, ενώ παράλληλα γίνεται μία προβολή γραφικών στοιχείων πάνω στην επιφάνεια που είναι επικαλυμμένη με ένα ύφασμα από λίκρα συνδεδεμένο στα άκρα των ράβδων. Εικόνα 55.Το σύστημα Relief επικαλυμμένο με επιφάνεια από λίκρα, προβάλει ένα τοπίο [62]. 94

95 Το σύστημα Relief εκτός ότι παρέχει μία τρισδιάστατη απεικόνιση δυσδιάστατων μοντέλων όπως τοπίων, δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να αλληλεπιδράσει με αυτό. Αυτό γίνεται παρέχοντας κάποιες χειρονομίες (gestures) με τις οποίες ο χρήστης πιέζοντας ή τραβώντας τις ράβδους με συγκεκριμένο τρόπο μπορεί να προκαλέσει την μετακίνηση, περιστροφή ή μεγέθυνση/σμίκρυνση του [60]. Lumen Το Lumen είναι μία διαδραστική απεικόνιση οπτικών εικόνων και φυσικών σχημάτων τα οποία ο χρήστης μπορεί να σχηματίσει με τα χέρια του αλληλεπιδρώντας με το σύστημα. Πρόκειται για μία ηλεκτρομαγνητική συσκευή αποτελούμενη από έναν δισδιάστατο πίνακα με κινούμενους φωτεινούς οδηγούς των οποίων το σχήμα και το χρώμα μπορεί να χειριστεί αυτόνομα ώστε να σχηματιστούν εικόνες, σχήματα και κίνηση [63]. Η συσκευή μπορεί να ανιχνεύσει το ανθρώπινο άγγιγμα αδυνατεί όμως να ανιχνεύσει την δύναμη του αγγίγματος [60]. Εικόνα 56. Αλληλεπίδραση με το Lumen Η κίνηση του κάθε φωτεινού οδηγού ελέγχεται από ένα νήμα από μορφομνήμονα κράματα (SMA), που είναι συνδεδεμένο μαζί του. Το SMA νήμα μπορεί να συρρικνωθεί ταχύτατα όταν περνά από μέσα του ρεύμα το οποίο το θερμαίνει, ενώ μπορεί να γυρίσει στην αρχική του κατάσταση όταν αυτό κρυώσει. Σαν αποτέλεσμα της χρήσης του, η συσκευή είναι μικρή και αθόρυβη ενώ ταυτόχρονα η ενεργοποίησή της είναι συνεχής και ομαλή. Η κίνηση του χεριού 95

96 και των δαχτύλων του χρήστη ανιχνεύεται με αισθητήρα SmartSkin το οποίο είναι ενσωματωμένο στην επιφάνεια της συσκευής [63]. Τρισδιάστατη απεικόνιση με SMA Ο Nakatani M. και οι συνεργάτες του [64] δημιούργησαν μία απεικόνιση τρισδιάστατων σχημάτων χρησιμοποιώντας και αυτοί έναν πίνακα από ράβδους. Η κίνηση των πλαστικών ράβδων, οι οποίες είναι φτιαγμένες από ABS ρητίνη, εκτείνεται σε μεγάλο εύρος που δίνει την δυνατότητα απεικόνισης μεγάλης κλίμακας και πυκνότητας αντικειμένων όπως είναι ένα ανθρώπινο πρόσωπο ή γεωγραφικά χαρακτηριστικά. Ως ενεργοποιητή χρησιμοποιούν ένα σπειροειδές SMA. Στο πρωτότυπο ο πίνακας με τις ράβδους είναι μεγέθους 4x4 και μετατρέπει οπτική πληροφορία βάθους και έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι απτός. Ο τρόπος ενεργοποίησης του αναλύεται πιο διεξοδικά παρακάτω. Εικόνα 57. Το πρωτότυπο μοντέλο αποτελείται από πίνακα 4x4 [64]. Πιθανές εφαρμογές του συστήματος αυτού όπως προτείνονται από τους σχεδιαστές του είναι αρχικά μία 3D απεικόνιση μεγάλης κλίμακας όπου θα μπορούν να προβάλλονται 96

97 ψηφιακές εικόνες. Μία δεύτερη εφαρμογή είναι μία διεπαφή επικοινωνίας που ονομάζεται «Face Phone». Η διεπαφή απεικονίζει ψηφιακά τηλέμετρα δεδομένα που λαμβάνονται από το ανθρώπινο πρόσωπο, σαν μία τεχνολογία τηλεδιάσκεψης όπου οι συνομιλητές εκτός από την φωνή του άλλου προσώπου θα μπορούν να δουν την απεικόνιση της κίνησης του προσώπου του πάνω στην διεπαφή με τις ράβδους. Εικόνα 58. Η ιδέα του "Face Phone" [64] Τεχνολογίες Ενεργοποιητών Παρακάτω παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που έχουν χρησιμοποιηθεί για τους ενεργοποιητές των εφαρμογών που αναλύθηκαν παραπάνω και αφορούν διεπαφές τύπου Relief. Ο ενεργοποιητής που χρησιμοποιήθηκε για το FEELEX 1 αποτελείτο από έναν κοχλία που κινείται με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος (DC motor). Ο μηχανισμός του κοχλία μετατρέπει την περιστροφή του άξονα του κινητήρα σε γραμμική κίνηση της ράβδου. Οι λειτουργίες που επιτελεί ο κινητήρας είναι δύο, να δημιουργήσει την κίνηση αλλά και την δύναμη αντίδρασης στην οθόνη. Η διάμετρος του μικρότερου κινητήρα είναι 4 εκατοστά [59]. 97

98 Εικόνα 59. Διάγραμμα του ενεργοποιητή του FEELEX 1 [59] Στην εξελιγμένη του μορφή, στο FEELEX 2, ο ενεργοποιητής αλλάζει. Επειδή η απόσταση των γραμμικών ενεργοποιητών πρέπει να είναι 8 χιλιοστά και επειδή το μέγεθος του κινητήρα είναι μεγαλύτερο, χρησιμοποιείται ένας μηχανισμός στροφαλοφόρου άξονα ώστε να τοποθετηθεί ο κινητήρας σε ανάλογη απόσταση. Ως ενεργοποιητής επιλέγεται ένας σερβοκινητήρας. Η περιστροφή του άξονα του σερβοκινητήρα μετατρέπεται στην γραμμική κίνηση της ράβδου από ένα στροφαλοφόρο άξονα και μία σύνδεση. 98

99 Εικόνα 60. Ο ενεργοποιητής του FEELEX 2 και τα μέρη που τον αποτελούν [59]. Το πρωτότυπο Glowbits αποτελείται από ένα πλέγμα 5x7 ράβδων που φέρουν στις άκρες τους LEDs. Αυτή είναι η μικρότερη ανάλυση που μπορεί να εμφανίζει πολλαπλά αναγνωρίσιμα σχήματα όπως το Αλφαριθμητικό Κείμενο. Κάθε ράβδος είναι συνδεδεμένη με μηχανοκίνητο ποτενσιόμετρο που μπορεί να την μετακινεί μπροστά και πίσω [61]. Εικόνα 61. Το σύστημα Glowbits [61]. 99

100 Ο ενεργοποιητής του συστήματος Relief αποτελείται από ένα ποτενσιόμετρο ολίσθησης. Την κίνηση στο ποτενσιόμετρο δίνει ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος μέσω ιμάντα. Οι ράβδοι είναι συνδεδεμένοι με το ποτενσιόμετρο και εξέχουν όταν αυτοί ενεργοποιούνται [60]. Εικόνα 62. Το σύστημα ενεργοποίησης του Relief [60]. Στο σύστημα Lumen χρησιμοποιούνται συστοιχίες από φωτεινούς οδηγούς Που φωτίζονται από LEDs τοποθετημένα κάτω από την συσκευή. Κάθε ένας οδηγός που αντιπροσωπεύει ένα pixel ενεργοποιείται από λεπτά καλώδια από μορφομνήμονα κράματα(sma). Όταν ηλεκτρικό ρεύμα τα διαπερνά τότε αυτά θερμαίνονται και σπρώχνουν τις ράβδους προς τα πάνω. Αντίστοιχα, επιστρέφουν στην αρχική τους θέση όταν ψύχονται. Εικόνα 63. Οι φωτεινοί οδηγοί και τα μορφομνήμονα κράματα που χρησιμοποιούνται στο Lumen. ( 100

101 Στην τρισδιάστατη απεικόνιση με SMA του Nakatani M. και των συνεργατών του [64], χρησιμοποιήθηκε ο ενεργοποιητής SMA, Bio Metal Helix 200. Αυτός μπορεί να επιμηκυνθεί δύο φορές το αρχικό του μήκος ενώ με θέρμανση επιστρέφει στο αρχικό του μήκος. Το SMA είναι αρκετά λεπτό για να τοποθετηθεί σε μεγάλη πυκνότητα στον πίνακα με τις ράβδους, ενώ έχει αρκετή δύναμη για να παράγει δύναμη της τάξεως των 30gf. Η συστολή του SMA γίνεται εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση και παράγοντας θερμότητα Joule. To SMA δεν παρέχει ανατροφοδότηση για την μεταμόρφωση του σχήματός του. Για τον εντοπισμό της εκάστοτε θέσης των ράβδων έχουν χρησιμοποιηθεί ανακλαστήρες (photo reflectors) που «διαβάζουν» τις ασπρόμαυρες λωρίδες που έχουν τοποθετηθεί κατευθείαν πάνω στις ράβδους. Για την επιμήκυνση του SMA χρησιμοποιείται ελατήριο που παράγει δύναμη επαναφοράς και έναν ανεμιστήρα ψύξης που το ψύχει ταυτόχρονα. Εικόνα 64. Η δομή του ενεργοποιητή [64]. Το γεγονός ότι για τον εντοπισμό της θέσης των ράβδων πρέπει να ενσωματωθεί και ο μηχανισμός με τους ανακλαστήρες οδήγησε τον Nakatani και των συνεργατών του στην δημιουργία και ενός δεύτερου συστήματος ενεργοποιητή. Η πρώτη εναλλακτική που προτείνουν είναι να χρησιμοποιηθεί η αλλαγή στην επαγωγή του πηνίου εισάγοντας μεταλλικές ράβδους. Εδώ γίνεται χρήση ελατηρίων για την επέκταση του SMA ως πηνίο. Χρησιμοποιώντας ελατήρια μειώνεται η πολυπλοκότητα του συστήματος καθώς δεν 101

102 χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί άλλο όργανο μέτρησης της θέσης. Το σύστημα αυτό έχει δύο καταστάσεις λειτουργίας. Την ενεργοποίηση και την ανίχνευση. Εικόνα 65. Η δομή του βελτιστοποιημένου συστήματος [64]. Στην κατάσταση ανίχνευσης η παλμική γεννήτρια εκπέμπει ένα παλμικό κύμα, που μεταδίδεται στο ελατήριο και στο SMA. Προκύπτει αλλαγή στην επαγωγή, που δημιουργεί κύμα παραμόρφωσης που παρατηρείται από ένα βολτόμετρο. Το βολτόμετρο συνδέεται με ένα αναλογικό-ψηφιακό μετατροπέα και ο υπολογιστής καθορίζει την θέση με βάση την αλλαγή που έχει συμβεί Σενάρια Αλληλεπίδρασης Ο Poupyrev I. και οι συνεργάτες του με βάση την διεπαφή Lumen που περιγράφθηκε παραπάνω, που ανήκει στον τύπο διεπαφών Relief μελέτησαν σχεδιαστικά σενάρια αλληλεπίδρασης, που καταγράφονται παρακάτω. Πρότειναν την γενίκευση των σχηματικών απεικονήσεων ως επέκταση των παραδοσιακών γραφικών απεικονήσεων με ένα επιπλέον χαρακτηριστικό, το ύψος. Ονόμασε την σχεδιαστική προσέγγιση ως RGBH απεικόνιση, όπου το RGB αναφέρεται στο χρώμα ενώ το H στο ύψος(height), των ράβδων. Σε κάθε περίπτωση ο μηχανισμός της μετατόπισης, το σχήμα και η διάταξη των αντικειμένων θα εξαρτώνται από την εκάστοτε εφαρμογή. 102

103 Σύγχρονη/Ασύγχρονη Λειτουργία Στην ασύγχρονη λειτουργία κάποια πληροφορία παρουσιάζεται μέσω του σχήματος ενώ κάποια πληροφορία παρουσιάζεται με ψηφιακό τρόπο. Στην σύγχρονη λειτουργία το σχήμα και η ψηφιακή απεικόνιση αλληλοσυμπληρώνονται. Εδώ το σχήμα επεκτείνει τα γραφικά προσθέτοντας μία τρίτη διάσταση στις επίπεδες εικόνες. Αισθητική Η προσθήκη κίνησης στις διεπαφές μπορεί να γίνει για καθαρά αισθητικούς και διακοσμητικούς λόγους. Επιτρέπει την αύξηση της ρεαλιστικότητας στις εικόνες δημιουργώντας μία νέα οπτική αισθητική διαφορετική από τα παραδοσιακά δισδιάστατα γραφικά και τα στατικά τρισδιάστατα αντικείμενα. Οι σχηματικές απεικονίσεις αυτές θα γίνονται αντιληπτές με διαφορετικό τρόπο υπό διαφορετικές γωνίες παρατήρησης. Επιπλέον για αισθητικούς σκοπούς το σχήμα θα μπορούσε να αλλάζει ανάλογα με την ώρα της μέρας, τον φωτισμό ή τον καιρό. Αυξανόμενος ρεαλισμός Άλλη μία εφαρμογή των σχηματικών απεικονίσεων είναι η ρεαλιστικότητα που μπορούν να προσφέρουν στα τρισδιάστατα σχήματα. Ο ρεαλισμός είναι δυνατός σε μία περιορισμένη κλίμακα εξαιτίας της δομής της απεικόνισης, που περιορίζεται σε συγκεκριμένη επιλογή σχημάτων που αυτή μπορεί να απεικονίσει. Μία προσέγγιση είναι η προσθήκη τρισδιάστατων λεπτομερειών σε δισδιάστατα επίπεδα αντικείμενα. Για παράδειγμα ένα ψηφιακό ψάρι που κολυμπά μπορεί να συνδυαστεί με ένα τρισδιάστατο σχήμα των πτερυγίων του. Ο ρεαλισμός μπορεί επίσης να αυξηθεί απεικονίζοντας τρισδιάστατες υφές και στοιχεία του υλικού, όπως ο κυματισμός του νερού για παράδειγμα. Απτικές απεικονίσεις Η διαφορά των απτικών απεικονίσεων με άλλες απτικές συσκευές είναι ότι το σχήμα μπορεί να γίνει αισθητό άμεσα με το χέρι του χρήστη χωρίς να χρειάζονται άλλες ενδιάμεσες συσκευές. Ο χρήστης μπορεί με το χέρι του να εξερευνήσει το σχήμα και τις απτικές ιδιότητες ενός ψηφιακού αντικειμένου. Δυναμικός Απτικός Έλεγχος Με την RGBH απεικόνιση μπορούν να δημιουργηθούν και τρισδιάστατα κουμπιά, τα οποία θα μπορούν να εμφανίζονται και να εξαφανίζονται καθώς και να αλλάζουν σχήμα δυναμικά ανάλογα με την κατάσταση και την λειτουργία τους. 103

104 Λειτουργία του σχήματος ως πρόσθετο στρώμα πληροφοριών Μία δισδιάστατη ψηφιακή εικόνα μπορεί να επικαλυφθεί με ένα επιπλέον στρώμα πληροφορίας από φυσικές απεικονίσεις που θα αλλοιώνουν η θα ενισχύουν την πληροφορία που προσφέρουν. Για παράδειγμα για την αναπαραγωγή πολυμέσων δεν θα χρειάζεται η χρησιμοποίηση πολλαπλών κουμπιών για τον συμβολισμό διαφορετικών λειτουργιών όπως την παύση, την γρήγορη αναπαραγωγή ή την αναπαραγωγή προς τα πίσω. Αρκεί η ψηφιακή αναπαράσταση ενός κουμπιού, σε συνδυασμό με την διαφορετική κίνηση του σχήματος. Για παράδειγμα γρήγοροι κυματισμοί νερού προς τα δεξιά για την απεικόνιση της γρήγορης προώθησης της αναπαραγωγής μπροστά, ενώ οι κυματισμοί προς την αντίθετη κατεύθυνση θα χρησιμοποιούνται όταν γυρίζει πίσω η αναπαραγωγή. Απομακρυσμένη απτική επικοινωνία Συνδέοντας τις συσκευές στο διαδίκτυο μπορεί να συνδεθούν απομακρυσμένοι χρήστες μέσω ενός απτικού συνδέσμου. Η «Απτική Τηλεπαρουσία» έχει εξερευνηθεί και στις απτικές διεπαφές, άλλα η συγκεκριμένη εφαρμογή απτικών απεικονίσεων μπορεί να προσφέρει τόσο δισδιάστατη ψηφιακή εικόνα όσο και τρισδιάστατη σχηματική. Εικόνα 66. Απομακρυσμένη απτική επικοινωνία με σχηματική απεικόνιση RGBH [57]. 104

105 4.2 Πρόταση Διεπαφής με SMA Εισαγωγή Πλεονεκτήματα SMA ενεργοποιητών Η χρήση των SMA έχει προταθεί να αντικαταστήσει τους ηλεκτρικούς κινητήρες. Σύμφωνα με τον Huang [65] η χρήση τους παρουσιάζει ποικίλα πλεονεκτήματα που αναφέρονται επιγραμματικά ως εξής: Εξοικονόμηση μάζας και όγκου Οι ενεργοποιητές SMA έχουν την δυνητική ικανότητα να επιτύχουν αναλογία εξόδου/βάρους που δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί να τους παραδοσιακούς ενεργοποιητές. Στο παρακάτω σχήμα (Εικόνα 67) παρουσιάζεται διάγραμμα που συγκρίνει την αναλογία ισχύος/βάρους με το βάρος διαφόρων ενεργοποιητών όπως ενεργοποιητής SMA, κινητήρας συνεχούς τάσης, κινητήρας εναλλασσόμενης τάσης, κινητήρας αυτοκινήτου, δίχρονοι κινητήρες εσωτερικής καύσης, τετράχρονοι κινητήρες εσωτερικής καύσης, περιστροφικός κινητήρας, εμβολοφόρος κινητήρας κ.α. Παρατηρείται ότι ο ενεργοποιητής SMA έχει το μικρότερο βάρος, ίδιο με αυτό των ηλεκτροκινητήρων συνεχούς τάσης, αλλά έχει 10 φορές μεγαλύτερη ισχύ. Αποφυγή φορτίων κραδασμών Τα φορτία λόγω κραδασμών συνδέονται με τις δομές ελατηρίων και η αποφυγή τους με την χρήση SMA σημαίνει ότι δεν χρειάζονται πλέον αποσβεστήρες. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι μπορεί να μειωθεί η πολυπλοκότητα του συστήματος. Ικανότητα Συστολής Αθόρυβη λειτουργία Αισθητήρια ικανότητα Μεγαλύτερη αξιοπιστία Μεγάλες ανακτήσιμες παραμορφώσεις Υψηλή ηλεκτρική αντίσταση Ευελιξία στην σχεδίαση 105

106 Εικόνα 67. Διάγραμμα αναλογίας ισχύος/βάρους με το βάρος διαφορετικών ειδών ενεργοποιητών [65]. Ενεργοποιητές με SMA Για να σχηματιστεί μία δομή είναι αναγκαία να υπάρχει σχετική κίνηση ανάμεσα στα αποτελούμενα μέρη. Η κίνηση μπορεί να έχει διάφορες μορφές, όπως για παράδειγμα περιστροφική η γραμμική. Χρησιμοποιώντας ενεργοποιητές SMA η κίνηση μπορεί να προκαλείται μόνο από ένα μέρος της δομής, εκμεταλλευόμενη την ιδιότητά τους να αλλάζουν σχήμα [65]. Στα παρακάτω σχήματα φαίνεται η κίνηση που μπορεί να προκαλέσει στην δομή η εφαρμογή SMA σύρματος, ανάλογα με την τοποθέτησή του και την επιθυμητή λειτουργία της εκάστοτε εφαρμογής. Στην εικόνα 68, απεικονίζεται ένας γραμμικός ενεργοποιητής με SMA, που διατίθεται και στο εμπόριο. 106

107 Εικόνα 68. SMA ενεργοποιητής γραμμικής κίνησης [65]. Στο παρακάτω σχήμα (Εικόνα 69) ένας απλός σχηματισμός μεντεσέ με την χρήση SMA σύρματος. Το σύρμα αποτελείται από Νίτινολ διαμέτρου 2mm, και η θέρμανσή του προκαλείται από την διέλευση από μέσα του ηλεκτρικού ρεύματος. Εικόνα 69. Μεντεσές με την χρήση SMA [65]. Στο επόμενο σχήμα (Εικόνα 70) φαίνεται μία δομή στην οποία το σύρμα SMA προκαλεί την περιστροφή του βραχίονα. Η συγκεκριμένη δομή χρησιμοποιήθηκε και σε ένα διαστημικό όχημα της NASA για το άνοιγμα του γυάλινου καλύμματος ενός ηλιακού κυττάρου. 107

108 Εικόνα 70. Περιστρεφόμενος βραχίονας κινούμενος από SMA [65] Προσομοίωση Εφαρμογής Στην παρούσα ενότητα γίνεται μια μελέτη του τρόπου μοντελοποίησης/προσομοίωσης της μηχανικής συμπεριφοράς μιας εφαρμογής τύπου Relief χρησιμοποιώντας ενεργοποιητές με SMA υλικό. Αρχικά είναι αναγκαίο να μοντελοποιηθεί σωστά η μηχανική συμπεριφορά του υλικού. Τα SMA υλικά έχουν τη σχέση τάσεων-παραμορφώσεων που φαίνεται στην Εικόνα 71 [66] και καθορίζει την υπερελαστική συμπεριφορά των υλικών αυτών. Κατά την φόρτιση το υλικό συμπεριφέρεται γραμμικά μέχρι την τιμή της τάσης σ(ms) που αντιστοιχεί στην έναρξη της αλλαγής φάσης από ωστενίτη σε μαρτενσίτη. Μετά το υλικό ακολουθεί την γραμμή με κλίση E(td) μέχρι την τάση σ(mf) που έχουμε την πλήρη αλλαγή φάσης σε μαρτενσίτη. Κατά την αποφόρτιση ακολουθεί την κάτω καμπύλη που καθορίζεται από τις τάσεις σ(as) και σ(af) που αντιστοιχούν στην έναρξη και ολοκλήρωση του αντίστροφου μετασχηματισμού φάσεων. Τα άλλα δεδομένα που καθορίζουν πλήρως την καμπύλη είναι το μέτρο ελαστικότητας του ωστενίτη και του μαρτενσίτη καθώς και η μέγιστη παραμόρφωση κατά τον μετασχηματισμό ε(tmax). 108

109 Εικόνα 71. Τυπική σχέση τάσεων-παραμορφώσεων για SMA υλικό [66]. Η παραπάνω σχέση τάσεων-παραμορφώσεων εξαρτάται από την θερμοκρασία του υλικού. Για ένα υπερελαστικό κράμα (55,9% Τιτάνιο και 44,1% Νικέλιο) με μέτρο ελαστικότητας (ωστενίτη) 32 GPa, οι καμπύλες ως συνάρτηση της θερμοκρασίας παρουσιάζονται στην Εικόνα 72. Οι τάσεις μετασχηματισμού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας φαίνονται την Εικόνα 73 και παρουσιάζουν γραμμική εξάρτηση από την θερμοκρασία. Εικόνα 72. Σχέσεις τάσεων-παραμορφώσεων για SMA υλικό για διάφορες θερμοκρασίες [66]. 109

110 Εικόνα 73. Τάσεις μετασχηματισμού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας [66]. Για να μελετηθεί αν η μη-γραμμική συμπεριφορά των SMA υλικών μπορεί να προσομοιωθεί επακριβώς, μοντελοποιήθηκε ένα σύρμα κυκλικής διατομής (d=1mm) και μήκους 100mm κατασκευασμένο από το παραπάνω υλικό. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ANSYS που υποστηρίζει τον συγκεκριμένο τύπο υλικού. Η σχέση τάσεων-παραμορφώσεων ορίστηκε για έξι διαφορετικές θερμοκρασίες (από 30 ως 80 βαθμούς Κελσίου) προσαρμόζοντας τα δεδομένα της Εικόνας 73 με 4 γραμμικές σχέσεις. Στην επόμενη εικόνα φαίνεται ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για την εισαγωγή των καμπυλών στην γλώσσα προγραμματισμού του ANSYS. 110

111 Εικόνα 74. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για τον ορισμό της σχέσης τάσης-παραμόρφωσης για 6 διαφορετικές θερμοκρασίες. Για τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες (30, 50 και 80 ο C) εφαρμόστηκε στο σύρμα μια τάση ίση με την μέση τιμή μεταξύ των τάσεων σ(ms) και σ(mf) και μετά το σύρμα αποφορτίστηκε. Για την διακριτοποίηση χρησιμοποιήθηκε το επίπεδο στοιχείο PLANE182 σε αξονοσυμμετρική ανάλυση. Η σχέση τάσεων παραμορφώσεων που προβλέπεται από το ANSYS παρουσιάζεται στις επόμενες τρεις εικόνες (75-77). Εικόνα 75. Σχέση τάσεων-παραμορφώσεων από το ANSYS για θερμοκρασία 30οC και μέγιστη τάση 350 MPa. 111