Історія технологій в області органів відчуттів: нюх, смак, дотик. Частина 1

П’ять почуттів дозволяють нам пізнавати навколишній світ і реагувати найбільш відповідним чином. За зір відповідають очі, за слух — вуха, за нюх — ніс, за смак — мова, а за дотик — шкіра. Завдяки їм ми отримуємо інформацію про наше оточення, яке аналізується і тлумачиться головним мозком. Чи можливо навчити роботів повноцінно відчувати? Про експерименти та досягнення в цій сфері розповімо в нашій статті.

Нюх

Запахи в кіно та в театрі

В 1995 році вчені Рейчел Херц та Джеральд Купчик (Rachel Herz, Gerald C. Cupchik) доказали, що між запахами, емоціями та спогадами існує взаємозв’язок. Але, ще до того як запахи стали науково обґрунтованим інструментом в маркетингу, їх активно використовували в кіноіндустрії та в театрі.

У 1906 році під час фільму про Парад роз в Каліфорнії запах квітів розпорошувався по глядацькому залу за допомогою електричного вентилятора та вати, що просякнута трояндовою олією. Схожі трюки робили у Бостонському театрі та на Бродвеї. Єдиного пристрою по поширенню запахів тоді не існувало.

У 1959 році його спробував створити Ганс Лаубе (Hans Laube). Вчений запатентував революційну тоді технологію Smell-O-Vision. Вона полягала в тому, що кінопоказ супроводжувався паралельним виділенням того чи другого запаху за допомогою спеціального пристрою. Всього в колекцію увійшло 30 ароматів – від вина до морського бризу.

Патент технології Smell-O-Vision

Лаубе використовував свій пристрій лише раз у 1960 році, під час показу містичного детективу «Запах таємниці» Джефа Кардифа.

Враження від «парфумованого» фільму виявилося негативним: частина глядачів скаржилися на те, що запахи доходять до них з запізненням та супроводжується шипінням, інші взагалі нічого не відчули. Пізніше Smell-O-Vision потрапив у топ-100 гірших винаходів в історії за версією Times.

Прем’єра фільму

Водночас, Уолтер Ріде використав систему по розпиленню запахів через вентиляцію AromaRama під час показу фільму «За Великою стіною». За словами критика з The New York Times, аромати були «банальними, створені на швидку руку, пригнічуючими».

Провал технологій Ріде та Лаубе переглянув режисер сатиричної комедії «Поліестер» Джон Уотерс в 1981 році. Перед показом його фільму глядачі отримали картки з номерами від 1 до 10: коли одне з чисел з’являлося на екрані, картку з цим числом потрібно було потерти та понюхати. Кожен зміг відчути запах квітів, піци, клею, газу, трави та відходів, які відчувала головна героїня.

Цифрування запахів

На початку 2000-х років разом зі швидким розвитком комп’ютерних технологій з’явилася нова ідея – передавати запахи через цифрові коди. Ідею спробували реалізувати біолог Джоел Белленсон (Joel Bellenson) та інженер Декстер Сміт за допомогою свого винаходу – синтезатора запахів iSmell.

Прототип пристрою під’єднувався до комп’ютера за допомогою USB та відтворював через вентилятор запахи, закодованих на пристрої. Бібліотека з 36 ароматів займала всього 2 кілобайти пам’яті.

Синтезатор запахів iSmell

На реалізацію проєкту його засновники отримали біля $20 млн інвестицій від компаній Procter & Gamble, Givaudan і Real Networks, але вже у 2001 році, через два роки після створення першого прототипу, компанія оголосила про своє банкрутство. За словами Белленсона, iSmell було «дуже складною для реалізації технологією, аби пройти тестування».

У 2007 році концепцію iSmell переглянули Девід Едвардс та Рейчел Філдс: вони створили невеличкий пристрій oPhone. За його допомогою запахи можна було передавати електронною поштою або через миттєві повідомлення.

oPhone

Всередині двох невеличких циліндрів знаходилися чіпи або ж «нейрони» з матеріалами, з яких можна скласти базовий аромат – ніби картриджі для принтера. Коли oPhone підключався до iOS через Bluetooth, «нейрони» почали рухатися: матеріал всередині пристрою взаємодіяли з повітряним потоком. Так і з’являвся аромат.

Для того щоб «передати» аромат користувачі завантажували додаток, обирали потрібний аромат з 320 варіантів та надсилали його на смартфон отримувача. Пристрій, як і iSmell, зустріли з захватом, але ажіотаж навколо нього швидко впав.

У 2013 році дослідники Токійського університету сільського господарства та технологій згадали досвід технології Smell-O-Vision та розробили «пахучі» рідкокристалічні екрани: вони передавали аромати зображених на них об’єктів – наприклад, аромат кави.

За словами Харукі Матсукура, однієї з розробниць проєкту, винахід може покращити рекламні кампанії та подарувати новий досвід відвідувачам музейних виставок.

У 2016 році колишні засновники oPhone, Девід Едвардс та Рейчел Філдс винайшли Cyrano — диспансер, котрий міг віддалено відтворювати чергування ароматів «настрою». Кожен обраний мікс розпилювався не більше кілька хвилин, аби користувач не встиг від нього втомитися.

Вартість пристрою склала $145. Засновники планували продати перші 500 екземплярів Cyrano та повернутися на ринок з вдосконаленою технологією після аналізу користувацького досвіду. Але через три роки нове покоління пристроїв так і не з’явилося.

Смак

Визначення продуктів на їстівність

Дослідження у сфері «смакових» технологій багато часу залишались лише науковими, а їх результати не демонструвалися широкій публіці.

Перші електронні смакові сенсори («системи електронного язика») з’явилися у 1990 році: їх використовували для аналізу іонів та тяжких металів – для оцінки смаку та зіпсованості продуктів. У 1999 році вони навчилися розпізнавати антитіла, клітини та ензими.

Система електронного язика

У тому ж році компанія Nordic Sensor Technologies створила покращену версію системи, яка, за версією New Scientist, більш чітко, ніж попередні покоління, передавала смакові відчуття.

Рідкий зразок розміщувався в контейнері з трьома електродами з нержавіючої сталі, платини та золота. Він аналізував сигнали, що виникали між ними – «пробував їх на смак». При цьому він розпізнав лише ступень зіпсованості молока та апельсинового соку. Сфера застосування нового пристрою компанією Nordic Sensor Technologies не уточнювалась.

У 2019 році електронний язик вже навчився розпізнавати якість віскі. Нова технологія здатна вирізняти різницю між однією і тією ж маркою, витриманих у різних бочках, з точністю більш як 99%. Також сенсори могли визначати різницю між 12, 15 та 18 роками витримки алкогольного напою.

За словами дослідника Аласдаїра Кларка, сьогоднішня технологія не може показати, які хімічні речовини відрізняють смак кави від смаку яблучного соку, але вона може визначити різницю між цими хімічними сумішами, схожими між собою.

Віртуальний смак

У 2013 році вчені з Національного університету Сингапуру винайшли електрод, що створює смак солодкої, гіркої, солоної та кислої їжі. Ця технологія дозволяє передавати відчуття від віртуальної їжі. В майбутньому вона може допомогти зробити життя геймерів «смачнішим». Наприклад, за успішне проходження рівня користувачі можуть отримувати від електрода солодкий, м’ятний або ж кислий сигнал, а за поразку – гіркий.

Під час експерименту електрод лише торкався кінця язика людини та «обдурював» його рецептори шляхом руху перемінного току та легкої зміни температури: у роті з’являлась ілюзія того чи іншого смаку.

На думку творця технології Німеша Ранасингха (Nimesha Ranasinghe), її можна застосовувати при лікуванні діабету: так пацієнти зможуть відчувати солодкий присмак, не підвищуючи рівня цукру в крові.

Через декотрий час Ранасінгї та його команда створили «віртуальний» лимонад. Дослідники визначили колір та рівень кислотності реального напою за допомогою спеціальних датчиків. Потім вони закріпили електроди на стакані води: коштом електронних імпульсів рідина мала лимонний присмак, а підсвітка імітувала жовтий колір.

За підсумками тестування на незалежній групі «віртуальний» лимонад здавався учасникам експерименту менш кислим, ніж справжній.

У 2016 році Хіромі Накамура, дослідниця Токійського університету, запропонувала свій варіант боротьби з підвищеним споживанням солі – винайшла електронну виделку, яка шляхом перемінного току створює ілюзію солоного чи кислого присмаку в роті.

На столовому приладі існує кнопка, яка допомагає регулювати відчуття. У ручці виделки влаштований акумулятор, вона тримає заряд до шести годин на день. Її прототип вартував біля $18: за інформацією Scientific American, масові продажі приладу планувалися на 2017 рік, але вони так і не були запущені.

Дотик

Сенсорні екрани

Спочатку сенсорні екрани використовувались всередині компаній та не застосовувались для виробництва товарів масового споживання – телефонів та планшетів.

Перший екран, що реагує на дотик пальців, створив Ерік Джонсон у 1965 році для оптимізації роботи авіадиспетчерів. Інженер не зареєстрував винахід, тому формально винахідником сенсорних екранів вважається інша людина.

Технологію «сенсорного датчика» у 1971 році запатентував Семюель Херст (Sam Hurst) та назвав її елографом. Екран його винаходу спочатку був непрозорим та крихким, але до 1977 року він вже нагадував сучасні поверхні по всім характеристикам. Водночас, компанія Siemens профінансувала Херста для створення сенсорного інтерфейсу з гнучкого скла.

Протягом 20 років технологія залишалася недоступною широкій публіці, поки в 1993 році компанія Apple не випустила Newton PDA персональний цифровий помічник, що розпізнає почерки, а IBM — свій перший смартфон Simon із сенсорним набором номерів.

Ще десь через десяток років компанія Microsoft презентувала планшет Windows XP, а у 2007 році з’явився перший iPhone, з нього почався користувацький досвід.

Тактильні відчуття через ультразвук

У 2012 році професор Токійського університету Хіроюкі Сінода представив новий тип дисплею. Він розробив його за допомогою супергаптичних (тактильних) технологій: тобто зображення на екрані проєктувалися в зал у вигляді голограми, а глядачі «відчували» його під дією ультразвуку. Під час лекції кожен з відвідувачів зміг відчути на собі краплі дощу, що «капали» з екрана.

У 2013 «тактильними» характеристиками ультразвуку зацікавився Том Картер у рамках своєї кандидатської дисертації. З його наукового зацікавлення виріс стартап Ultrahaptics — виробник безконтактної тактильної технології.

Принцип роботи продуктів компанії схожий з ефектом від голограм Синоди, лише у випадку з винаходом Картера людина може не лише відчути те чи інше явище, але й взаємодіяти з ним – натиснути на віртуальну кнопку, пересунути об’єкти у паралельній реальності.

Творець Ultrahaptics вважає, що його технологія може замінити сенсорні екрани у суспільних місцях, бо вона більш гігієнічна та швидше реагує на людські дотики.

Тактильні відчуття та робототехніка

З 1992 року на ринку існує компанія Boston Dynamics: її роботи вміють брати та переносити предмети з місця на місце. У 2007 році інженери Швейцарської вищої технічної школи навчили свого робота будувати кам’яні вежі. В основі всіх цих алгоритмів лежить комп’ютерний зір, але не тактильні відчуття: роботи не вміють міцно тримати об’єкти, не нашкодивши їм – на відміну від людей.

Це завдання спробували вирішити вчені Вашингтонського університету. Вони створили «шкіру» для роботів з рідкого металу та мікрофлюїдних каналів – модулів, що допомагають керувати мікро- та нанооб’єктами різноманітних розчинів.

На поверхні комп’ютерів фіксується спеціальна плівка, яка вимірює силу стиснення та розтягнення каналів на «руці» при взаємодії з іншими об’єктами. Робот може скомпонувати данні про зміни довжини пальців та вичислити показник деформації предметів, до яких він доторкається.

У 2019 році австралійські інженери подарували відчуття дотику дронам – за допомогою штучних вібрісс, що імітують волоски. До цього вченим не вдавалося зробити датчики менше: нова технологія опинилася чутливішою та легшою, ніж попередні. За допомогою вібрісс дрони можуть вимірювати силу та напрямок вітру, а також – фіксувати контакти з іншими об’єктами.

У сфері VR-технологій основна проблема, пов’язана саме з дотиком. На цей час стоїть завдання якісної імітації фізичного контакту з віртуальними об’єктами.

Швейцарські інженери спробували розв’язувати цю проблему у 2018 році. За основу вони взяли звичайну рукавицю та прикріпивши до великого та вказівного пальця електростатичні гальма запрограмували їх на створення ефекту спротиву руху, який імітує відчуття при стисненні об’єктів.

Додатково вчені прикріпили візуальні маркери: вони допомагають проаналізувати рухи рук в реальному світі та положення віртуальних предметів.

Тактильні відчуття та протези

У 2016 році на ринку з’явилися протези з накладеними або імплантованими на руку електродами: вони зчитували дотики та передавали сигнали до периферійних нервових закінчень руки. Їх проблема полягала в тому, що часто зворотний зв’язок приходив з затримкою і залежав від електропровідності шкіри.

Над ліквідацією цього обмеження понад два роки працював професор Іллінойського університету Тімоті Бретл та його команда. У 2014 році вони розробили модель, де чутливість шкіри залежала від того, наскільки тісно до неї розміщувалися електроди.

Далі вчені провели ряд тестів та створили алгоритм, автоматично підлаштований під рівень сили прикріплення електродів до тіла. У результаті чутливість залишалася на одному рівні, незалежно від руху людини.

Водночас, проблему вивчили співробітники Університетів Піттсбурга та Чикаго. Вони створили чотири імпланти, що підключаються не до периферійних нервів руки, а до частки кори головного мозку: так відбувається пряма взаємодія з центром, що відповідає за тактильні відчуття.

У 2016 році почуття дотику до штучної руки отримав повністю паралізований Натан Копленд (Nathan Copeland).

Продовження читайте у другій частині.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Читайте также:

Boston Dynamics нарешті оголосив про старт продажів робособаки Spot. Відео

Крутий паркур від робота Atlas. Відео

Робот ALPHRED2 — чотириногий робот, що здатен триматися на двох ногах

5 основних напрямків розвитку робототехніки