Exploring human-object interaction through force vector measurement

Thesis: S.M., Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2019Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (pages 101-107).I introduce SCALE, a project aiming to further understand Human-Object Interaction through the real-time analysis of force vector signals, which I have defined as "Force-based Interaction" in this thesis. Force conveys fundamental information in Force-based Interaction, including force intensity, its direction, and object weight - information otherwise difficult to be accessed or inferred from other sensing modalities. To explore the design space of force-based interaction, I have developed the SCALE toolkit, which is composed of modularized 3d-axis force sensors and application APIs. In collaboration with big industry companies, this system has been applied to a variety of application domains and settings, including a retail store, a smart home and a farmers market. In this thesis, I have proposed a base system SCALE, and two additional advanced projects titled KI/OSK and DepthTouch, which build upon the SCALE project.by Takatoshi Yoshida.S.M.S.M. Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Science

ISAR: Ein Autorensystem für Interaktive Tische

Developing augmented reality systems involves several challenges, that prevent end users and experts from non-technical domains, such as education, to experiment with this technology. In this research we introduce ISAR, an authoring system for augmented reality tabletops targeting users from non-technical domains. ISAR allows non-technical users to create their own interactive tabletop applications and experiment with the use of this technology in domains such as educations, industrial training, and medical rehabilitation.Die Entwicklung von Augmented-Reality-Systemen ist mit mehreren Herausforderungen verbunden, die Endbenutzer und Experten aus nicht-technischen Bereichen, wie z.B. dem Bildungswesen, daran hindern, mit dieser Technologie zu experimentieren. In dieser Forschung stellen wir ISAR vor, ein Autorensystem für Augmented-Reality-Tabletops, das sich an Benutzer aus nicht-technischen Bereichen richtet. ISAR ermöglicht es nicht-technischen Anwendern, ihre eigenen interaktiven Tabletop-Anwendungen zu erstellen und mit dem Einsatz dieser Technologie in Bereichen wie Bildung, industrieller Ausbildung und medizinischer Rehabilitation zu experimentieren

Embedding a Grid of Load Cells into a Dining Table for Automatic Monitoring and Detection of Eating Events

This dissertation describes a “smart dining table” that can detect and measure consumption events. This work is motivated by the growing problem of obesity, which is a global problem and an epidemic in the United States and Europe. Chapter 1 gives a background on the economic burden of obesity and its comorbidities. For the assessment of obesity, we briefly describe the classic dietary assessment tools and discuss their drawback and the necessity of using more objective, accurate, low-cost, and in-situ automatic dietary assessment tools. We explain in short various technologies used for automatic dietary assessment such as acoustic-, motion-, or image-based systems. This is followed by a literature review of prior works related to the detection of weights and locations of objects sitting on a table surface. Finally, we state the novelty of this work. In chapter 2, we describe the construction of a table that uses an embedded grid of load cells to sense the weights and positions of objects. The main challenge is aligning the tops of adjacent load cells to within a few micrometer tolerance, which we accomplish using a novel inversion process during construction. Experimental tests found that object weights distributed across 4 to 16 load cells could be measured with 99.97±0.1% accuracy. Testing the surface for flatness at 58 points showed that we achieved approximately 4.2±0.5 um deviation among adjacent 2x2 grid of tiles. Through empirical measurements we determined that the table has a 40.2 signal-to-noise ratio when detecting the smallest expected intake amount (0.5 g) from a normal meal (approximate total weight is 560 g), indicating that a tiny amount of intake can be detected well above the noise level of the sensors. In chapter 3, we describe a pilot experiment that tests the capability of the table to monitor eating. Eleven human subjects were video recorded for ground truth while eating a meal on the table using a plate, bowl, and cup. To detect consumption events, we describe an algorithm that analyzes the grid of weight measurements in the format of an image. The algorithm segments the image into multiple objects, tracks them over time, and uses a set of rules to detect and measure individual bites of food and drinks of liquid. On average, each meal consisted of 62 consumption events. Event detection accuracy was very high, with an F1-score per subject of 0.91 to 1.0, and an F1 score per container of 0.97 for the plate and bowl, and 0.99 for the cup. The experiment demonstrates that our device is capable of detecting and measuring individual consumption events during a meal. Chapter 4 compares the capability of our new tool to monitor eating against previous works that have also monitored table surfaces. We completed a literature search and identified the three state-of-the-art methods to be used for comparison. The main limitation of all previous methods is that they used only one load cell for monitoring, so only the total surface weight can be analyzed. To simulate their operations, the weights of our grid of load cells were summed up to use the 2D data as 1D. Data were prepared according to the requirements of each method. Four metrics were used to evaluate the comparison: precision, recall, accuracy, and F1-score. Our method scored the highest in recall, accuracy, and F1-score; compared to all other methods, our method scored 13-21% higher for recall, 8-28% higher for accuracy, and 10-18% higher for F1-score. For precision, our method scored 97% that is just 1% lower than the highest precision, which was 98%. In summary, this dissertation describes novel hardware, a pilot experiment, and a comparison against current state-of-the-art tools. We also believe our methods could be used to build a similar surface for other applications besides monitoring consumption

The cockpit for the 21st century

Interactive surfaces are a growing trend in many domains. As one possible manifestation of Mark Weiser’s vision of ubiquitous and disappearing computers in everywhere objects, we see touchsensitive screens in many kinds of devices, such as smartphones, tablet computers and interactive tabletops. More advanced concepts of these have been an active research topic for many years. This has also influenced automotive cockpit development: concept cars and recent market releases show integrated touchscreens, growing in size. To meet the increasing information and interaction needs, interactive surfaces offer context-dependent functionality in combination with a direct input paradigm. However, interfaces in the car need to be operable while driving. Distraction, especially visual distraction from the driving task, can lead to critical situations if the sum of attentional demand emerging from both primary and secondary task overextends the available resources. So far, a touchscreen requires a lot of visual attention since its flat surface does not provide any haptic feedback. There have been approaches to make direct touch interaction accessible while driving for simple tasks. Outside the automotive domain, for example in office environments, concepts for sophisticated handling of large displays have already been introduced. Moreover, technological advances lead to new characteristics for interactive surfaces by enabling arbitrary surface shapes. In cars, two main characteristics for upcoming interactive surfaces are largeness and shape. On the one hand, spatial extension is not only increasing through larger displays, but also by taking objects in the surrounding into account for interaction. On the other hand, the flatness inherent in current screens can be overcome by upcoming technologies, and interactive surfaces can therefore provide haptically distinguishable surfaces. This thesis describes the systematic exploration of large and shaped interactive surfaces and analyzes their potential for interaction while driving. Therefore, different prototypes for each characteristic have been developed and evaluated in test settings suitable for their maturity level. Those prototypes were used to obtain subjective user feedback and objective data, to investigate effects on driving and glance behavior as well as usability and user experience. As a contribution, this thesis provides an analysis of the development of interactive surfaces in the car. Two characteristics, largeness and shape, are identified that can improve the interaction compared to conventional touchscreens. The presented studies show that large interactive surfaces can provide new and improved ways of interaction both in driver-only and driver-passenger situations. Furthermore, studies indicate a positive effect on visual distraction when additional static haptic feedback is provided by shaped interactive surfaces. Overall, various, non-exclusively applicable, interaction concepts prove the potential of interactive surfaces for the use in automotive cockpits, which is expected to be beneficial also in further environments where visual attention needs to be focused on additional tasks.Der Einsatz von interaktiven Oberflächen weitet sich mehr und mehr auf die unterschiedlichsten Lebensbereiche aus. Damit sind sie eine mögliche Ausprägung von Mark Weisers Vision der allgegenwärtigen Computer, die aus unserer direkten Wahrnehmung verschwinden. Bei einer Vielzahl von technischen Geräten des täglichen Lebens, wie Smartphones, Tablets oder interaktiven Tischen, sind berührungsempfindliche Oberflächen bereits heute in Benutzung. Schon seit vielen Jahren arbeiten Forscher an einer Weiterentwicklung der Technik, um ihre Vorteile auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Interaktion zwischen Mensch und Automobil, nutzbar zu machen. Und das mit Erfolg: Interaktive Benutzeroberflächen werden mittlerweile serienmäßig in vielen Fahrzeugen eingesetzt. Der Einbau von immer größeren, in das Cockpit integrierten Touchscreens in Konzeptfahrzeuge zeigt, dass sich diese Entwicklung weiter in vollem Gange befindet. Interaktive Oberflächen ermöglichen das flexible Anzeigen von kontextsensitiven Inhalten und machen eine direkte Interaktion mit den Bildschirminhalten möglich. Auf diese Weise erfüllen sie die sich wandelnden Informations- und Interaktionsbedürfnisse in besonderem Maße. Beim Einsatz von Bedienschnittstellen im Fahrzeug ist die gefahrlose Benutzbarkeit während der Fahrt von besonderer Bedeutung. Insbesondere visuelle Ablenkung von der Fahraufgabe kann zu kritischen Situationen führen, wenn Primär- und Sekundäraufgaben mehr als die insgesamt verfügbare Aufmerksamkeit des Fahrers beanspruchen. Herkömmliche Touchscreens stellen dem Fahrer bisher lediglich eine flache Oberfläche bereit, die keinerlei haptische Rückmeldung bietet, weshalb deren Bedienung besonders viel visuelle Aufmerksamkeit erfordert. Verschiedene Ansätze ermöglichen dem Fahrer, direkte Touchinteraktion für einfache Aufgaben während der Fahrt zu nutzen. Außerhalb der Automobilindustrie, zum Beispiel für Büroarbeitsplätze, wurden bereits verschiedene Konzepte für eine komplexere Bedienung großer Bildschirme vorgestellt. Darüber hinaus führt der technologische Fortschritt zu neuen möglichen Ausprägungen interaktiver Oberflächen und erlaubt, diese beliebig zu formen. Für die nächste Generation von interaktiven Oberflächen im Fahrzeug wird vor allem an der Modifikation der Kategorien Größe und Form gearbeitet. Die Bedienschnittstelle wird nicht nur durch größere Bildschirme erweitert, sondern auch dadurch, dass Objekte wie Dekorleisten in die Interaktion einbezogen werden können. Andererseits heben aktuelle Technologieentwicklungen die Restriktion auf flache Oberflächen auf, so dass Touchscreens künftig ertastbare Strukturen aufweisen können. Diese Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung großer und nicht-flacher interaktiver Oberflächen und analysiert ihr Potential für die Interaktion während der Fahrt. Dazu wurden für jede Charakteristik verschiedene Prototypen entwickelt und in Testumgebungen entsprechend ihres Reifegrads evaluiert. Auf diese Weise konnten subjektives Nutzerfeedback und objektive Daten erhoben, und die Effekte auf Fahr- und Blickverhalten sowie Nutzbarkeit untersucht werden. Diese Dissertation leistet den Beitrag einer Analyse der Entwicklung von interaktiven Oberflächen im Automobilbereich. Weiterhin werden die Aspekte Größe und Form untersucht, um mit ihrer Hilfe die Interaktion im Vergleich zu herkömmlichen Touchscreens zu verbessern. Die durchgeführten Studien belegen, dass große Flächen neue und verbesserte Bedienmöglichkeiten bieten können. Außerdem zeigt sich ein positiver Effekt auf die visuelle Ablenkung, wenn zusätzliches statisches, haptisches Feedback durch nicht-flache Oberflächen bereitgestellt wird. Zusammenfassend zeigen verschiedene, untereinander kombinierbare Interaktionskonzepte das Potential interaktiver Oberflächen für den automotiven Einsatz. Zudem können die Ergebnisse auch in anderen Bereichen Anwendung finden, in denen visuelle Aufmerksamkeit für andere Aufgaben benötigt wird

Tabletop Tangible Interfaces for Music Performance: Design and Evaluation

This thesis investigates a new generation of collaborative systems: tabletop tangible interfaces (TTIs) for music performance or musical tabletops. Musical tabletops are designed for professional musical performance, as well as for casual interaction in public settings. These systems support co-located collaboration, offered by a shared interface. However, we still know little about their challenges and opportunities for collaborative musical practice: in particular, how to best support beginners or experts or both. This thesis explores the nature of collaboration on TTIs for music performance between beginners, experts, or both. Empirical work was done in two stages: 1) an exploratory stage; and 2) an experimental stage. In the exploratory stage we studied the Reactable, a commercial musical tabletop designed for beginners and experts. In particular, we explored its use in two environments: a multi-session study with expert musicians in a casual lab setting; and a field study with casual visitors in a science centre. In the experimental stage we conducted a controlled experiment for mixed groups using a bespoke musical tabletop interface, SoundXY4. The design of this study was informed by the previous stage about a need to support better real-time awareness of the group activity (workspace awareness) in early interactions. For the three studies, groups musical improvisation was video-captured unobtrusively with the aim of understanding natural uses during group musical practice. Rich video data was carefully analysed focusing on the nature of social interaction and how workspace awareness was manifested. The findings suggest that musical tabletops can support peer learning during multiple sessions; fluid between-group social interaction in public settings; and a democratic and ecological approach to music performance. The findings also point to how workspace awareness can be enhanced in early interactions with TTIs using auditory feedback with ambisonics spatialisation. The thesis concludes with theoretical, methodological, and practical implications for future research in New Interfaces for Musical Expression (NIME), tabletop studies, and Human-Computer Interaction (HCI)

Proceedings of the 3rd IUI Workshop on Interacting with Smart Objects

These are the Proceedings of the 3rd IUI Workshop on Interacting with Smart Objects. Objects that we use in our everyday life are expanding their restricted interaction capabilities and provide functionalities that go far beyond their original functionality. They feature computing capabilities and are thus able to capture information, process and store it and interact with their environments, turning them into smart objects

Toolkits for the Development of Hybrid Games: from Tangible Tabletops to Interactive Spaces

Durante los últimos años, los dispositivos tabletop han sido considerados el entorno ideal para los juegos híbridos, los cuales combinan técnicas de juego tradicional, como el uso de objetos físicos para interactuar con el juego de una forma natural, con las nuevas posibilidades que los tabletops ofrecen de aumentar el espacio de juego con imágenes digitales y audio.Sin embargo, los juegos híbridos no se restringen simplemente a tabletops, pudiéndose jugar también en entornos más amplios en los que convergen otros paradigmas de interacción. Por esta razón, el uso de juegos híbridos en Espacios Interactivos está ganando fuerza, pero el número y heterogeneidad de dispositivos y estilos de interacción que se encuentran en estos entornos hace que el diseño y prototipado de juegos sea una tarea difícil. Por lo tanto, el gran reto se encuentra en ofrecer a diseñadores y desarrolladores herramientas apropiadas para la creación de estas aplicaciones.En esta línea de trabajo, el grupo Affective Lab lanzó el proyecto JUGUEMOS (TIN2015-67149-C3-1R), un proyecto nacional centrado en el desarrollo de juegos híbridos en entornos interactivos. Esta Tesis Doctoral se enmarca en este proyecto.El primer paso de la realización de esta tesis fue establecer los dos objetivos principales (Capítulo 1):1) El primer objetivo que se estableció fue profundizar en el uso de tabletops tangibles en terapia con niños con necesidades especiales. Durante los últimos años el grupo Affective Lab había visto la potencialidad de los tabletops tangibles para el trabajo con niños pequeños, pero todavía era necesario llevar a cabo más experiencias y evaluaciones en el ámbito terapéutico, así como explorar si otros grupos de usuarios (adultos con problemas cognitivos) podían beneficiarse de las características de los tabletops.2) El segundo objetivo consistió en diseñar e implementar un toolkit para el desarrollo de juegos híbridos para espacios interactivos. Se decidió que el toolkit estuviera dirigido a desarrolladores para facilitar su trabajo a la hora de crear este tipo de aplicaciones.Una vez establecidos los objetivos, se realizó un estado del arte a su vez dividido en dos partes (Capítulo 2):1) Se realizó una categorización de juegos híbridos para entender y extraer sus principales características, así como los principales retos que surgen al desarrollar este tipo de juegos. También se estudiaron toolkits cuyo objetivo era el desarrollo de juegos híbridos.2) Se estudiaron juegos híbridos desarrollados para niños con necesidades especiales y adultos con problemas cognitivos que hacían uso de la Interacción Tangible y tabletops, así como toolkits dirigidos a terapeutas o educadores para ayudarles en la creación de actividades para sus pacientes.Para llevar a cabo las experiencias y evaluaciones relacionadas con el primer objetivo, se hizo uso del tabletop tangible NIKVision, desarrollado previamente por el grupo Affective Lab, y el toolkit KitVision, una herramienta dirigida a profesionales sin conocimientos de programación para la creación de actividades tangibles y que fue desarrollado durante el Proyecto Final de Carrera de la autora. En el Capítulo 3 de esta Tesis se comenta brevemente el tabletop NIKVision y la arquitectura de KitVision, se describen las evaluaciones que se llevaron a cabo con terapeutas con el objetivo de mejorar y probar la utilidad del toolkit, y se explica una experiencia de un año durante la cual una terapeuta ocupacional de ASAPME, una asociaciónque trabaja con adultos con problemas cognitivos, estuvo usando el tabletop y el toolkit sin supervisión.En el Capítulo 4 se describen diferentes experiencias con KitVision que se llevaron a cabo:- Gracias a una colaboración con la Residencia Romareda, NIKVision y KitVision fueron instalados provisionalmente en la residencia y, tras una evaluación inicial, se desarrollaron tres nuevas actividades para los usuarios de la residencia.- Gracias a la colaboración con ENMOvimienTO y con uno de los centros de Atención Temprana del Instituto Aragonés de Servicios Sociales (IASS), ambos enfocados a trabajar con niños con problemas de aprendizaje, se pudieron realizar evaluaciones que nos permitieron mejorar KitVision y crear nuevas actividades específicamente diseñadas para ellos.- Finalmente, gracias a una colaboración con Atenciona, pudimos evaluar actividades con niños con Trastorno por Déficit de Atención e Hiperactividad (TDAH) y extraer una serie de directrices para diseñar actividades para este tipo de niños. También pudimos llevar a cabo una experiencia de Diseño Participativo con estos niños.El completo desarrollo del toolkit JUGUEMOS, para la creación de juegos híbridos en espacios interactivos, se explica en el Capítulo 5. En este apartado primero se describe el Espacio Interactivo JUGUEMOS que sirvió de base para desarrollar el toolkit. Después se explican con detalle las decisiones de diseño que se tomaron, el modelo de abstracción que se usó para diseñar los juegos, y la arquitectura del toolkit. También se detallan las distintas fases de implementación que se llevaron a cabo, basadas en los tres retos que se extrajeron en el estado del arte: (1) integrar diferentes dispositivos, (2) gestionar salidas gráficas diversas y (3) facilitar la codificación del juego. Finalmente, se presentan dos prototipos de juegos que se desarrollaron durante las dos estancias de investigación que la autora realizó.Finalmente, en el Capítulo 6 se describen los tres casos de uso que se realizaron para tener una primera valoración de la usabilidad del toolkit JUGUEMOS: (1) una evaluación con estudiantes de Máster en la que se implementó un juego completamente funcional para el Espacio Interactivo JUGUEMOS, (2) un juego que fue completamente desarrollado usando el toolkit JUGUEMOS una vez que éste se acabó de implementar, (3) una experiencia que involucró a dos grupos multidisciplinares compuestos por diseñadores y desarrolladores, en la que tuvieron que colaborar para diseñar e implementar dos prototipos de juegos híbridos para el espacio interactivo.<br /

Un montage de jeu de table à faible coût pour collecter des traces d'apprentissage pendant l'apprentissage de la pensée informatique avec des activités débranchées ou tangibles

We report on a new setup allowing us to collect learning analytics (LA) during computational thinking unplugged or tangible playful activities. We target the development of computational thinking (CT) competency, including the initiation to informatics (i.e., computer science and technology), with the goal to evaluate and analyze the development of CT. Collecting LA is mandatory in this case and if adaptive learning is targeted. While collecting LA during online interactions is rather straightforward, automatically collecting LA when manipulating tangible objects is more challenging, especially in a context where low-cost greenIT material is required.The key idea here, contrary to usual “black-box” systems working (more or less) automatically, is to change the learning paradigm and involve the learner in the data collection, making the process transparent and allowing her or him to also learn how to learn. This is particularly pertinent here since we use Informatics tools in order to … initiate to Informatics and CT. This means that we have to redesign the activity scenario including its didactic and revisit the underneath pedagogy, which turns to be an interesting and innovative challenge.Nous décrivons ici un montage original nous permettant de collecter des traces d'apprentissage (learning analytics (LA)) lors d'activités débranchées ou tangibles d'initiation ludique à la pensée informatique (computational thinking (CT)). Nous ciblons le développement de compétences en CT, y compris l'initiation à l'informatique (c'est-à-dire l'informatique en tant que science et technologie), dans le but d'évaluer et d'analyser le développement de la CT. La collecte de LA est indispensable pour évaluer cet apprentissage, avec comme champ applicatif l'apprentissage adaptatif. Bien que la collecte de LA lors d'interactions en ligne soit plutôt simple, la collecte automatique de LA lors de la manipulation d'objets tangibles est plus difficile, en particulier dans un contexte où du matériel à faible coût et tenant compte de contraintes écologiques est requis.L'idée clé ici, contrairement aux systèmes habituels de «boîte noire» fonctionnant (plus ou moins) automatiquement, est de changer le paradigme d'apprentissage et d'impliquer l'apprenant dans la collecte de données, rendant le processus transparent et lui permettant également d'apprendre comment apprendre. Ceci est particulièrement pertinent ici puisque nous utilisons des outils informatiques pour … nous initier à l'informatique et à la CT. Cela signifie que nous devons repenser le scénario de l'activité, y compris sa didactique, et revisiter la pédagogie sous-jacente, qui s'avère être un défi intéressant et innovant

Remote tactile feedback on interactive surfaces

Direct touch input on interactive surfaces has become a predominating standard for the manipulation of digital information in our everyday lives. However, compared to our rich interchange with the physical world, the interaction with touch-based systems is limited in terms of flexibility of input and expressiveness of output. Particularly, the lack of tactile feedback greatly reduces the general usability of a touch-based system and hinders from a productive entanglement of the virtual information with the physical world. This thesis proposes remote tactile feedback as a novel method to provide programmed tactile stimuli supporting direct touch interactions. The overall principle is to spatially decouple the location of touch input (e.g. fingertip or hand) and the location of the tactile sensation on the user's body (e.g. forearm or back). Remote tactile feedback is an alternative concept which avoids particular challenges of existing approaches. Moreover, the principle provides inherent characteristics which can accommodate for the requirements of current and future touch interfaces. To define the design space, the thesis provides a structured overview of current forms of touch surfaces and identifies trends towards non-planar and non-rigid forms with more versatile input mechanisms. Furthermore, a classification highlights limitations of the current methods to generate tactile feedback on touch-based systems. The proposed notion of tactile sensory relocation is a form of sensory substitution. Underlying neurological and psychological principles corroborate the approach. Thus, characteristics of the human sense of touch and principles from sensory substitution help to create a technical and conceptual framework for remote tactile feedback. Three consecutive user studies measure and compare the effects of both direct and remote tactile feedback on the performance and the subjective ratings of the user. Furthermore, the experiments investigate different body locations for the application of tactile stimuli. The results show high subjective preferences for tactile feedback, regardless of its type of application. Additionally, the data reveals no significant differences between the effects of direct and remote stimuli. The results back the feasibility of the approach and provide parameters for the design of stimuli and the effective use of the concept. The main part of the thesis describes the systematical exploration and analysis of the inherent characteristics of remote tactile feedback. Four specific features of the principle are identified: (1) the simplification of the integration of cutaneous stimuli, (2) the transmission of proactive, reactive and detached feedback, (3) the increased expressiveness of tactile sensations and (4) the provision of tactile feedback during multi-touch. In each class, several prototypical remote tactile interfaces are used in evaluations to analyze the concept. For example, the PhantomStation utilizes psychophysical phenomena to reduce the number of single tactile actuators. An evaluation with the prototype compares standard actuator technologies with each other in order to enable simple and scalable implementations. The ThermalTouch prototype creates remote thermal stimuli to reproduce material characteristics on standard touchscreens. The results show a stable rate of virtual object discrimination based on remotely applied temperature profiles. The AutmotiveRTF system is implemented in a vehicle and supports the driver's input on the in-vehicle-infotainment system. A field study with the system focuses on evaluating the effects of proactive and reactive feedback on the user's performance. The main contributions of the dissertation are: First, the thesis introduces the principle of remote tactile feedback and defines a design space for this approach as an alternative method to provide non-visual cues on interactive surfaces. Second, the thesis describes technical examples to rapidly prototype remote tactile feedback systems. Third, these prototypes are deployed in several evaluations which highlight the beneficial subjective and objective effects of the approach. Finally, the thesis presents features and inherent characteristics of remote tactile feedback as a means to support the interaction on today's touchscreens and future interactive surfaces.Die Interaktion mit berührungsempfindlichen Oberflächen ist heute ein Standard für die Manipulation von digitaler Information. Jedoch weist die Bedienung dieser interaktiven Bildschirme starke Einschränkungen hinsichtlich der Flexibilität bei der Eingabe und der Ausdruckskraft der Ausgabe auf, wenn man sie mit den vielfältigen Möglichkeiten des Umgangs mit Objekten in unserer Alltagswelt vergleicht. Besonders die nicht vorhandenen Tastsinnesrückmeldungen vermindern stark die Benutzbarkeit solcher Systeme und verhindern eine effektive Verknüpfung von virtueller Information und physischer Welt. Die vorliegende Dissertation beschreibt den Ansatz der 'distalen taktilen Rückmeldungen' als neuartige Möglichkeit zur Vermittlung programmierter Tastsinnesreize an Benutzer interaktiver Oberflächen. Das Grundprinzip dabei ist die räumliche Trennung zwischen der Eingabe durch Berührung (z.B. mit der Fingerspitze) und dem daraus resultierenden taktilen Reiz am Körper der Benutzer (z.B. am Rücken). Dabei vermeidet das Konzept der distalen taktilen Rückmeldungen einzelne technische und konzeptionelle Nachteile existierender Ansätze. Zusätzlich bringt es Interaktionsmöglichkeiten mit sich, die den Eigenheiten der Interaktion mit aktuellen und auch zukünftigen berührungsempfindlichen Oberflächen Rechnung tragen. Zu Beginn zeigt ein Überblick zu relevanten Arbeiten den aktuellen Forschungstrend hin zu nicht-flachen und verformbaren berührungsempfindlichen Oberflächen sowie zu vielfältigeren Eingabemethoden. Eine Klassifizierung ordnet existierende technische Verfahren zur Erzeugung von künstlichen Tastsinnesreizen und stellt jeweils konzeptuelle und technische Herausforderungen dar. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene Ansatz der Verlagerung von Tastsinnesreizen ist eine Form der sensorischen Substitution, zugrunde liegende neurologische und psychologische Prinzipien untermauern das Vorgehen. Die Wirkprinzipien des menschlichen Tastsinnes und die Systeme zur sensorischen Substitution liefern daher konzeptionelle und technische Richtlinien zur Umsetzung der distalen taktilen Rückmeldungen. Drei aufeinander aufbauende Benutzerstudien vergleichen die Auswirkungen von direkten und distalen taktilen Rückmeldungen auf die Leistung und das Verhalten von Benutzern sowie deren subjektive Bewertung der Interaktion. Außerdem werden in den Experimenten die Effekte von Tastsinnesreizen an verschiedenen Körperstellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen starke Präferenzen für Tastsinnesrückmeldungen, unabhängig von deren Applikationsort. Die Daten ergeben weiterhin keine signifikanten Unterschiede bei den quantitativen Effekten von direktem und distalen Rückmeldungen. Diese Ergebnisse befürworten die Realisierbarkeit des Ansatzes und zeigen Richtlinien für weitere praktische Umsetzungen auf. Der Hauptteil der Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung und Analyse der inhärenten Möglichkeiten, die sich aus der Vermittlung distaler taktiler Rückmeldungen ergeben. Vier verschiedene Charakteristika werden identifiziert: (1) die vereinfachte Integration von Tastsinnesreizen, (2) die Vermittlung von proaktiven, reaktiven und entkoppelten Rückmeldungen, (3) die erhöhte Bandbreite der taktilen Signale und (4) die Darstellung von individuellen Tastsinnesreizen für verschiedene Kontaktpunkte mit der berührungsempfindlichen Oberfläche. Jedes dieser Prinzipien wird durch prototypische Systeme umgesetzt und in Benutzerstudien analysiert. Beispielsweise nutzt das System PhantomStation psychophysikalische Illusionen, um die Anzahl der einzelnen Reizgeber zu reduzieren. In einer Evaluierung des Prototypen werden mehrere Aktuatortechnologien verglichen, um einfache und skalierbare Ansätze zu identifizieren. Der ThermalTouch-Prototyp wird dazu genutzt, distale thermale Reize zu vermitteln, um so Materialeigenschaften auf Berührungsbildschirmen darstellen zu können. Eine Benutzerstudie zeigt, dass sich auf Basis dieser Temperaturverläufe virtuelle Objekte unterscheiden lassen. Das AutomotiveRTF-System wird schließlich in ein Kraftfahrzeug integriert, um den Fahrer bei der Eingabe auf dem Informations- und Unterhaltungssystem zu unterstützen. Eine Feldstudie untersucht die Auswirkungen der proaktiven und reaktiven Rückmeldungen auf die Benutzerleistung. Die vorliegende Dissertation leistet mehrere Beiträge zur Mensch-Maschine-Interaktion: Das Prinzip der distalen taktilen Rückmeldungen wird eingeführt als Alternative zur Erzeugung nicht-visueller Rückmeldungen auf interaktiven Oberflächen. Es werden technische Verfahrensweisen zur prototypischen Implementierung solcher Systeme vorgeschlagen. Diese technischen Prototypen werden in einer Vielzahl verschiedener Benutzerstudien eingesetzt, welche die quantitativen und qualitativen Vorteile des Ansatzes aufzeigen. Schließlich wird gezeigt, wie sich das Prinzip zur Unterstützung heutiger und zukünftiger Interaktionsformen mit berührungsempfindlichen Bildschirmen nutzen lässt

The Boston University Photonics Center annual report 2014-2015

This repository item contains an annual report that summarizes activities of the Boston University Photonics Center in the 2014-2015 academic year. The report provides quantitative and descriptive information regarding photonics programs in education, interdisciplinary research, business innovation, and technology development. The Boston University Photonics Center (BUPC) is an interdisciplinary hub for education, research, scholarship, innovation, and technology development associated with practical uses of light.This has been a good year for the Photonics Center. In the following pages, you will see that the center’s faculty received prodigious honors and awards, generated more than 100 notable scholarly publications in the leading journals in our field, and attracted $18.6M in new research grants/contracts. Faculty and staff also expanded their efforts in education and training, and were awarded two new National Science Foundation– sponsored sites for Research Experiences for Undergraduates and for Teachers. As a community, we hosted a compelling series of distinguished invited speakers, and emphasized the theme of Advanced Materials by Design for the 21st Century at our annual symposium. We continued to support the National Photonics Initiative, and are a part of a New York–based consortium that won the competition for a new photonics- themed node in the National Network of Manufacturing Institutes. Highlights of our research achievements for the year include an ambitious new DoD-sponsored grant for Multi-Scale Multi-Disciplinary Modeling of Electronic Materials led by Professor Enrico Bellotti, continued support of our NIH-sponsored Center for Innovation in Point of Care Technologies for the Future of Cancer Care led by Professor Catherine Klapperich, a new award for Personalized Chemotherapy Through Rapid Monitoring with Wearable Optics led by Assistant Professor Darren Roblyer, and a new award from DARPA to conduct research on Calligraphy to Build Tunable Optical Metamaterials led by Professor Dave Bishop. We were also honored to receive an award from the Massachusetts Life Sciences Center to develop a biophotonics laboratory in our Business Innovation Center