Ubiquitous haptic feedback in human-computer interaction through electrical muscle stimulation

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A Characterization of Actuation Techniques for Generating Movement in Shape-Changing Interfaces

Abstract This article characterizes actuation techniques for generating movement in shape-changing displays with physically reconfigurable geometry. To date, few works in Human Computer Interaction literature provide detailed and reflective descriptions of the implementation techniques used in shape-changing displays. This hinders the rapid development of novel interactions as researchers must initially spend time understanding technologies before prototyping new interactions and applications. To bridge this knowledge gap, we propose a taxonomy that classifies actuator characteristics and simplifies the process for designers to select appropriate technologies that match their requirements for developing shape-displays. We scope our investigation to linear actuators that are used in grid configurations. The taxonomy is validated by (a) examining current implementation techniques of motorized, pneumatic, hydraulic, magnetic, and shape-memory actuators in the literature, (b) constructing prototypes to address limited technical details and explore actuator capabilities in depth, (c) describing a use-case scenario through a case study that details the construction of a 10 ? 10 actuator shape-display, and (d) a set of guidelines to aid researchers in selecting actuation techniques for shape-changing applications. The significance of our taxonomy is twofold. First, we provide an original contribution that enables HCI researchers to appropriately select actuation techniques and build shape-changing applications. This is situated amongst other past works that have investigated broader application scenarios such as a shape-changing vocabulary, a framework for shape transformations, material properties, and technical characteristics of various actuators. Second, we carry out in-depth investigations to validate our taxonomy and expand the knowledge of vertical actuation in shape-changing applications to enable rapid development

Designing passenger experiences for in-car Mixed Reality

In day-to-day life, people spend a considerable amount of their time on the road. People seek to invest travel time for work and well-being through interaction with mobile and multimedia applications on personal devices such as smartphones and tablets. However, for new computing paradigms, such as mobile mixed reality (MR), their usefulness in this everyday transport context, in-car MR remains challenging. When future passengers immerse in three-dimensional virtual environments, they become increasingly disconnected from the cabin space, vehicle motion, and other people around them. This degraded awareness of the real environment endangers the passenger experience on the road, which initially motivates this thesis to question: can immersive technology become useful in the everyday transport context, such as for in-car scenarios? If so, how should we design in-car MR technology to foster passenger access and connectedness to both physical and virtual worlds, ensuring ride safety, comfort, and joy? To this aim, this thesis contributes via three aspects: 1) Understanding passenger use of in-car MR —first, I present a model for in-car MR interaction through user research. As interviews with daily commuters reveal, passengers are concerned with their physical integrity when facing spatial conflicts between borderless virtual environments and the confined cabin space. From this, the model aims to help researchers spatially organize information and how user interfaces vary in the proximity of the user. Additionally, a field experiment reveals contextual feedback about motion sickness when using immersive technology on the road. This helps refine the model and instruct the following experiments. 2) Mixing realities in car rides —second, this thesis explores a series of prototypes and experiments to examine how in-car MR technology can enable passengers to feel present in virtual environments while maintaining awareness of the real environment. The results demonstrate technical solutions for physical integrity and situational awareness by incorporating essential elements of the RE into virtual reality. Empirical evidence provides a set of dimensions into the in-car MR model, guiding the design decisions of mixing realities. 3) Transcending the transport context —third, I extend the model to other everyday contexts beyond transport that share spatial and social constraints, such as the confined and shared living space at home. A literature review consolidates leveraging daily physical objects as haptic feedback for MR interaction across spatial scales. A laboratory experiment discovers how context-aware MR systems that consider physical configurations can support social interaction with copresent others in close shared spaces. These results substantiate the scalability of the in-car MR model to other contexts. Finally, I conclude with a holistic model for mobile MR interaction across everyday contexts, from home to on the road. With my user research, prototypes, empirical evaluation, and model, this thesis paves the way for understanding the future passenger use of immersive technology, addressing today’s technical limitations of MR in mobile interaction, and ultimately fostering mobile users’ ubiquitous access and close connectedness to MR anytime and anywhere in their daily lives.Im modernen Leben verbringen die Menschen einen beträchtlichen Teil ihrer Zeit mit dem täglichen Pendeln. Die Menschen versuchen, die Reisezeit für ihre Arbeit und ihr Wohlbefinden durch die Interaktion mit mobilen und multimedialen Anwendungen auf persönlichen Geräten wie Smartphones und Tablets zu nutzen. Doch für neue Computing-Paradigmen, wie der mobilen Mixed Reality (MR), bleibt ihre Nützlichkeit in diesem alltäglichen Verkehrskontext, der MR im Auto, eine Herausforderung. Wenn künftige Passagiere in dreidimensionale virtuelle Umgebungen eintauchen, werden sie zunehmend von der Kabine, der Fahrzeugbewegung und den Menschen in ihrer Umgebung abgekoppelt. Diese verminderte Wahrnehmung der realen Umgebung gefährdet das Fahrverhalten der Passagiere im Straßenverkehr, was diese Arbeit zunächst zu der Frage motiviert: Können immersive Systeme im alltäglichen Verkehrskontext, z.B. in Fahrzeugszenarien, nützlich werden? Wenn ja, wie sollten wir die MR-Technologie im Auto gestalten, um den Zugang und die Verbindung der Passagiere mit der physischen und der virtuellen Welt zu fördern und dabei Sicherheit, Komfort und Freude an der Fahrt zu gewährleisten? Zu diesem Zweck trägt diese Arbeit zu drei Aspekten bei: 1) Verständnis der Nutzung von MR im Auto durch die Passagiere - Zunächst wird ein Modell für die MR-Interaktion im Auto durch user research vorgestellt. Wie aus Interviews mit täglichen Pendlern hervorgeht, sind die Passagiere um ihre körperliche Unversehrtheit besorgt, wenn sie mit räumlichen Konflikten zwischen grenzenlosen virtuellen Umgebungen und dem begrenzten Kabinenraum konfrontiert werden. Das Modell soll Forschern dabei helfen, Informationen und Benutzerschnittstellen räumlich zu organisieren, die in der Nähe des Benutzers variieren. Darüber hinaus zeigt ein Feldexperiment kontextbezogenes Feedback zur Reisekrankheit bei der Nutzung immersiver Technologien auf der Straße. Dies hilft, das Modell zu verfeinern und die folgenden Experimente zu instruieren. 2) Vermischung von Realitäten bei Autofahrten - Zweitens wird in dieser Arbeit anhand einer Reihe von Prototypen und Experimenten untersucht, wie die MR-Technologie im Auto es den Passagieren ermöglichen kann, sich in virtuellen Umgebungen präsent zu fühlen und gleichzeitig das Bewusstsein für die reale Umgebung zu behalten. Die Ergebnisse zeigen technische Lösungen für räumliche Beschränkungen und Situationsbewusstsein, indem wesentliche Elemente der realen Umgebung in VR integriert werden. Die empirischen Erkenntnisse bringen eine Reihe von Dimensionen in das Modell der MR im Auto ein, die die Designentscheidungen für gemischte Realitäten leiten. 3) Über den Verkehrskontext hinaus - Drittens erweitere ich das Modell auf andere Alltagskontexte jenseits des Verkehrs, in denen räumliche und soziale Zwänge herrschen, wie z.B. in einem begrenzten und gemeinsam genutzten Wohnbereich zu Hause. Eine Literaturrecherche konsolidiert die Nutzung von Alltagsgegenständen als haptisches Feedback für MR-Interaktion über räumliche Skalen hinweg. Ein Laborexperiment zeigt, wie kontextbewusste MR-Systeme, die physische Konfigurationen berücksichtigen, soziale Interaktion mit anderen Personen in engen gemeinsamen Räumen ermöglichen. Diese Ergebnisse belegen die Übertragbarkeit des MR-Modells im Auto auf andere Kontexte. Schließlich schließe ich mit einem ganzheitlichen Modell für mobile MR-Interaktion in alltäglichen Kontexten, von zu Hause bis unterwegs. Mit meiner user research, meinen Prototypen und Evaluierungsexperimenten sowie meinem Modell ebnet diese Dissertation den Weg für das Verständnis der zukünftigen Nutzung immersiver Technologien durch Passagiere, für die Überwindung der heutigen technischen Beschränkungen von MR in der mobilen Interaktion und schließlich für die Förderung des allgegenwärtigen Zugangs und der engen Verbindung der mobilen Nutzer zu MR jederzeit und überall in ihrem täglichen Leben

When machines touch back : simulating-- and stimulating-- the most intimate of senses

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Humanities, Program in Writing and Humanistic Studies, 2005.Includes bibliographical references (leaf 51).Thomas Massie invented the Phantom, a computer peripheral for simulating the sense of touch, that became the de facto device for haptics research. The thesis recounts the story of Massie, his invention, and present and potential applications as varied as telesurgery and teledildonics. Along the way the thesis explores the science of touch and considers the implications of the fact that perhaps the most reassuring and intimate of senses can be simulated.by Kevin Bullis.S.M

Emulation of haptic feedback for manual interfaces

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 1996.Includes bibliographical references (p. 329-339).by Karon E. MacLean.Ph.D

An aesthetics of touch: investigating the language of design relating to form

How well can designers communicate qualities of touch? This paper presents evidence that they have some capability to do so, much of which appears to have been learned, but at present make limited use of such language. Interviews with graduate designer-makers suggest that they are aware of and value the importance of touch and materiality in their work, but lack a vocabulary to fully relate to their detailed explanations of other aspects such as their intent or selection of materials. We believe that more attention should be paid to the verbal dialogue that happens in the design process, particularly as other researchers show that even making-based learning also has a strong verbal element to it. However, verbal language alone does not appear to be adequate for a comprehensive language of touch. Graduate designers-makers’ descriptive practices combined non-verbal manipulation within verbal accounts. We thus argue that haptic vocabularies do not simply describe material qualities, but rather are situated competences that physically demonstrate the presence of haptic qualities. Such competencies are more important than groups of verbal vocabularies in isolation. Design support for developing and extending haptic competences must take this wide range of considerations into account to comprehensively improve designers’ capabilities

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

Virtual Reality Games for Motor Rehabilitation

This paper presents a fuzzy logic based method to track user satisfaction without the need for devices to monitor users physiological conditions. User satisfaction is the key to any product’s acceptance; computer applications and video games provide a unique opportunity to provide a tailored environment for each user to better suit their needs. We have implemented a non-adaptive fuzzy logic model of emotion, based on the emotional component of the Fuzzy Logic Adaptive Model of Emotion (FLAME) proposed by El-Nasr, to estimate player emotion in UnrealTournament 2004. In this paper we describe the implementation of this system and present the results of one of several play tests. Our research contradicts the current literature that suggests physiological measurements are needed. We show that it is possible to use a software only method to estimate user emotion